Original title:
2D materiály pro elektrokatalýzu a přípravu vodíku jako čistého zdroje energie
Translated title:
2D materials for electrocatalysis and hydrogen generation as clean energy source
Authors:
Sanna, Michela ; Kim, Daewoo (referee) ; Urso, Mario (referee) ; Pumera, Martin (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2024
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT Abstract:
[eng][cze]
Elektrochemická výroba vodíku z vody získává stále více pozornosti jako čistý a obnovitelný zdroj energie v reakci na alarmující environmentální problémy způsobené těžbou fosilních paliv během posledních století. Proces však lze považovat za ekologicky šetrnou alternativu pouze tehdy, pokud je poháněn obnovitelnými zdroji energie, jako je solární energie, největší uhlíkově neutrální zdroj dostupný na naší planetě. Solární energie lze přeměnit na elektřinu pomocí solárních panelů a elektrická energie může být využita k rozkladu vody za pomocí elektrokatalyzátorů, jako je platina. Alternativně lze rozklad vody na vodík provádět přímo pomocí solární energie. Nicméně výtěžky přímého fotochemického rozkladu vody jsou nízké. Kombinace obou přístupů, nazývaná fotoelektrochemický rozklad vody, kombinuje nejlepší z obou světů - elektrokatalytický rozklad vody s pomocí fotonů. Z tohoto důvodu je studium nových materiálů založených na hojně se vyskytujících prvků, které lze použít jako fotoelektrokatalyzátory pro tvorbu vodíku, zásadní pro navádění společnosti k udržitelnější výrobě energie. Tato práce zkoumá potenciál těchto nových dvourozměrných (2D) materiálů a souvisejících sloučenin, spolu s výzkumem využití 3D tisku pro výrobu funkčních elektrod v oblasti fotoelektrochemie. Studium několika přechodných kovových selenofosfitů potvrdilo jejich potenciál jako fotoelektrokatalyzátorů pro tvorbu vodíku, zejména za působení viditelného světla. MAX fáze byly modifikovány expozicí fluorovému plynu a vlastnosti získaných fluorovaných MAX byly zkoumány, začínaje jejich morfologií až po jejich potenciál jako fotoelektrokatalyzátorů pro reakci vývoje vodíku. Fluorované fáze vykazovaly lepší výkony ve srovnání s neošetřenými fázemi MAX. Zlepšená katalytická aktivita byla přičítána fotoaktivním oxyfluoridům, které vznikaly v důsledku procesu fluorace. Fotoaktivita fází MAX byla dále zkoumána jak teoreticky, tak experimentálně, aby bylo možné porozumět původu fotokatalytického chování. Výsledky ukázaly, že přítomnost oxidových nečistot na fázích hraje klíčovou roli v fotoelektrochemické tvorbě vodíku. Role oxidů v fotokatalytické aktivitě těchto sloučenin inspirovala výrobu a zkoumání 3D tištěných elektrod a jejich modifikaci s oxidy deponovanými atomovou vrstvou (ALD), jako je TiO2, SiO2 a Al2O3. I v tomto případě přítomnost tenké vrstvy oxidu na povrchu elektrody významně přispěla ke zlepšení výkonu za působení viditelného světla. Získané výsledky prokázaly důležitost základního studia nových 2D materiálů pro aplikaci v fotoelektrochemické výrobě vodíku a otevřely nové pohledy na výrobu inovativních 3D tištěných vodivých zařízení, která lze modifikovat s funkčními materiály pro přeměnu energie.
The electrochemical production of hydrogen from water is gaining more attention as a clean and renewable energy source in response to the alarming environmental issues caused by the exploitation of fossil fuels during the last centuries. However, the process can be considered an environmentally friendly alternative only if it is fuelled using renewable sources of energy, like solar energy, the largest carbon-free resource available on our planet. Solar energy can be converted to electricity via solar panels and electrical energy be used for water splitting via electrocatalysts, such as platinum. Alternatively, the water splitting to hydrogen can be carried out directly via solar light energy. However, the yields of direct photochemical water splitting are low. The combination of both approaches, also called photoelectrochemical water splitting, combines the best of both worlds – electrocatalytic water splitting with the aid of photons. For these reason, the study of novel materials based on earth-abundant elements that can be applied as photoelectrocatalysts for hydrogen generation is fundamental to guiding society toward more sustainable energy production. This thesis explores the potential of the emerging two-dimensional (2D) materials and related layered compounds, alongside investigations into the utility of 3D printing for fabricating functional electrodes in the field of photoelectrochemistry. The study of several transition metal selenophosphites confirmed their potential as photoelectrocatalysts for hydrogen generation, in particular under the influence of visible light. MAX phases were modified through exposure to fluorine gas and the properties of the obtained fluorinated MAX were investigated, starting from their morphology to their potential as photoelectrocatalysts for the hydrogen evolution reaction. The fluorinated phases showed better performances compared to the untreated MAX phases. The improved catalytic activity was attributed to photoactive oxyfluorides that formed as a consequence of the fluorination process. The photoactivity of the MAX phases was further investigated both by theoretical and experimental approaches, to understand the origin of the photocatalytic behaviour. The results showed that the presence of oxide impurities on the phases plays a crucial role in the photoelectrochemical production of hydrogen. The role of the oxides in the photocatalytic activity of these compounds inspired the fabrication and investigation of 3D printed electrodes and their modification with atomic layer deposited oxides, like TiO2, SiO2, and Al2O3. Also in this case, the presence of a thin layer of oxide on the surface of the electrode contributed to significantly better performances under the influence of visible light. The obtained results demonstrated the importance of the fundamental study of novel 2D materials for application in the photoelectrochemical production of hydrogen and open new insights into the fabrication of innovative 3D printed conductive devices that can be modified with functional materials for energy conversion.
Keywords:
2D materiály; 3D tisk; fluorace; fotoelektrochemie; MAX fáze; nanášení atomární vrstvy; selenofosfity přechodných kovů; Výroba vodíku; 2D materials; 3D printing; atomic layer deposition; Hydrogen generation; MAX phases; photoelectrochemistry; transition metal selenophosphites
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: https://hdl.handle.net/11012/249328
guest ::
