Бифункционални електрокатализатори за електролизу воде добијени директном карбонизацијом јонских течности са металом (Pt, Ni, Fe, Cu)

Abstract

Водоник је један од најперспективнијих извора чисте енергије, јер током његове употребе не долази до емисије гасова стаклене баште, а може се произвести из обновљивих извора енергије. Међутим, како би се водоник широко применио као енергетски носилац, неопходно је развити ефикасне, економски исплативе и дуготрајно стабилне методе његове производње. Електролиза воде представља једну од најперспективнијих метода за добијање зеленог водоника, јер омогућава директну конверзију електричне енергије у хемијску енергију водоника, без ослобађања штетних нус продуката. Ипак, широка примена овог процеса ограничена је високом ценом и ограниченом доступношћу конвенционалних електрокатализатора, који омогућавају ефикасну реакцију издвајања водоника и издвајања кисеоника. Тренутно се као електрокатализатори за реакције издвајања водоника и издвајање кисеоника користе материјали на бази племенитих метала (Pt, IrО2, RuО2), као и материјали на бази прелазних метала (Ni, Fe, Co, Cu, Mo) и неметала (B, C, N, P, S). Иако племенити метали показују најбоље перформансе, њихова висока цена и ограничене резерве представљају значајно ограничење за широку индустријску примену. Из тог разлога, све већа пажња се посвећује развоју електрокатализатора на бази прелазних метала и њихових угљеничних композита. Једноставан метод за припрему угљеничних материјала је коришћење јонских течности. У овој докторској дисертацији развијени су бифункционални електрокатализатори на бази прелазних метала и угљеникa, добијени директном карбонизацијом јонских течности, у циљу идентификације оптималног бифункционалног катализатора за производњу зеленог водоника путем електролизе воде, тј. за реакције издвајања водоника и кисоника. Ова метода синтезе омогућава контролу структуре и својстава катализатора, поједностављује поступак припреме и смањује трошкове производње. За синтезу су одабране три групе јонских течности које садрже различите катјоне и анјоне, како би се испитао њихов утицај на морфологију и активност катализатора. Експериментална испитивања показала су да присуство одређених анјона побољшава електрохемијске карактеристике катализатора, док избор метала значајно утиче на њихову каталитичку ефикасност и стабилност. Прву групу обухватаће јонске течностикоје садрже никл и платину (у циљу добијања Ni/C и Pt/C), другу групу чиниће јонске течности са никлом и различитим анјонима (у циљу добијања Ni/C(Bm), Ni/C(Hm) и Ni/C(Ch)), док ће се у трећој групи наћи јонске течности са гвожђем и бакром (у циљу добијања Fe/C, Cu/C и Fe,Cu/C). Ове јонске течности су одабране због своје способности да формирају стабилне комплексе са металним хлоридима, што омогућава једноставну синтезу и контролу својстава добијених материјала. На основу добијених резултата, може се закључити да Ni/C(Hm) катализатор, синтетисан са [Hmim]- анјоном, показује најбоље кинетичке перформансе у реакцији издвајања водоника. Међутим, и даље је неопходно унапређење перформанси овог материјала како би се омогућила његова практична примена у алкалним воденим електролизерима за катализу реакције издвајања водоника. Са друге стране, материјали са гвoжђем и бакрoм (Fе,Cu/C) су пoказали oбећавајућу активнoст за реакцију издвајања кисеоника, упоредиву или бољу у односу на материјале из литературе, штo их чини потенцијалним кандидатима за примену као електрокатализатора у електролизи воде. Закључно, директна карбонизација јонских течности са металима је успешно примењена за синтезу високо ефикасних и економичних електрокатализатора за производњу зеленог водоника. Oви материјали су показали одличну стабилност и перформансе, што их чини обећавајућим за ширу примену у одрживој енергетици.

Hydrogen is one of the most promising sources of clean energy, as its use does not result in greenhouse gas emissions and it can be produced from renewable energy sources. However, for hydrogen to be widely adopted as an energy carrier, it is necessary to develop efficient, cost-effective, and long-term stable production methods. Water electrolysis is one of the most promising methods for obtaining green hydrogen, as it enables the direct conversion of electrical energy into the chemical energy of hydrogen without releasing harmful byproducts. Nevertheless, the widespread application of this process is limited by the high cost and limited availability of conventional electrocatalysts, which facilitate the efficient hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction. Currently, electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction include noble metal-based materials (Pt, IrO₂, RuO₂), as well as transition metal-based materials (Ni, Fe, Co, Cu, Mo) and non-metal-based materials (B, C, N, P, S). Although noble metals exhibit the best performance, their high cost and limited reserves present significant limitations for widespread industrial application. For this reason, increasing attention is being given to the development of transition metal-based electrocatalysts and their carbon composites. A simple method for preparing carbon-based materials involves the use of ionic liquids (ILs). In this doctoral dissertation, bifunctional electrocatalysts based on transition metals and carbon were developed through the direct carbonization of ionic liquids, with the aim of identifying the optimal bifunctional catalyst for green hydrogen production via water electrolysis, specifically for the hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction. This synthesis method allows for control over the structure and properties of the catalyst, simplifies the preparation process, and reduces production costs. Three groups of ionic liquids containing different cations and anions were selected for synthesis to examine their impact on the morphology and activity of the catalysts. Experimental investigations showed that the presence of certain anions enhances the electrochemical characteristics of the catalysts, while the choice of metal significantly influences their catalytic efficiency and stability. The first group includes ionic liquids containing nickel and platinum (aimed at obtaining Ni/C and Pt/C), the second group consists of ionic liquids with nickel and different anions (for the synthesis of Ni/C(Bm), Ni/C(Hm), and Ni/C(Ch)), while the third group comprises ionic liquids containing iron and copper (for the synthesis of Fe/C, Cu/C, and Fe,Cu/C). These ionic liquids were selected due to their ability to form stable complexes with metal chlorides, enabling simple synthesis and control over the properties of the resulting materials. Based on the obtained results, it can be concluded that the Ni/C(Hm) catalyst, synthesized with the [Hmim]- anion, exhibits the best kinetic performance in the hydrogen evolution reaction. However, further improvement of this material's performance is still necessary to enable its practical application in alkaline water electrolyzers for hydrogen evolution reaction catalysis. On the other hand, materials containing iron and copper (Fe,Cu/C) have demonstrated promising activity for the oxygen evolution reaction, comparable to or even better than materials reported in the literature, making them potential candidates for application as electrocatalysts in water electrolysis.. In conclusion, the direct carbonization of ionic liquids with metals was successfully applied for the synthesis of highly efficient and cost-effective electrocatalysts for green hydrogen production. These materials demonstrated excellent stability and performance, making them promising candidates for broader application in sustainable energy.