Παρασκευή και χαρακτηρισμός διμεταλλικών ηλεκτροκαταλυτών IrO2/Ni και IrO2/Ti για έκλυση οξυγόνου
Creators: name: Τούνη, Αικατερίνη Σπυρίδωνος
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Ηλεκτροκατάλυση
Εκλυση οξυγόνου
Γαλβανική αντικατάσταση/ απόθεση
IrO2
Electrocatalysis
Oxygen evolution
Galvanic replacement/ deposition

description: Στόχος της διατριβής αυτής είναι η παρασκευή καταλυτών IrO2 πάνω σε αδρανή υποστρώματα χρησιμοποιώντας την ελάχιστη δυνατή ποσότητα Ir, βελτιώνοντας παράλληλα την ηλεκτροκαταλυτική τους ενεργότητα και σταθερότητα. Για το σκοπό αυτό στην παρούσα διπλωματική εργασία, παρασκευάστηκαν καταλύτες IrO2 σε υποστρώματα Ni/GC (Glassy Carbon, υαλώδης άνθρακας) και Ti με τη μέθοδο της γαλβανικής αντικατάστασης/ απόθεσης ακολουθούμενης από ηλεκτροχημική ανοδίωση. Στην πρώτη περίπτωση αποτέθηκε μεταλλικό Ni πάνω σε υπόστρωμα υαλώδους άνθρακα (GC) και στη συνέχεια με εμβάπτισή του σε διάλυμα ιόντων του Ir πραγματοποιήθηκε γαλβανική αντικατάσταση. Προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση του πάχους Ni στην ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα του καταλύτη ηλεκτρο-αποτέθηκαν αποθέματα Ni μεταβλητού πάχους - φορτίου. Στη δεύτερη περίπτωση έγινε διασπορά Ir στην επιφάνεια του Ti μέσω γαλβανικής απόθεσης. Η χρήση Ni και Ti ως υποστρώματα προσδίδει σταθερότητα στο ηλεκτροκαταλυτικό συστατικό. Ακόμη, με τη μέθοδο της γαλβανικής αντικατάστασης/ απόθεσης αποτίθεται αυθόρμητα (χωρίς καταβολή εξωτερικής ενέργειας) μικρή ποσότητα ευγενούς μετάλλου. Με την ηλεκτροχημική ανοδίωση του αποτεθέντος Ir σχηματίζεται IrOx στις επιφανειακές στιβάδες των καταλυτών, δημιουργώντας πορώδεις καταλύτες με βελτιωμένη ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα. Στην πορεία, πραγματοποιήθηκε ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός των καταλυτών με την τεχνική της κυκλικής βολταμμετρίας (CV) για τη μελέτη της επιφανειακής τους ηλεκτροχημείας. Επιπλέον, με μικροσκοπικές (SEM) και φασματοσκοπικές (EDS, XPS) τεχνικές εξετάστηκε η μορφολογία και η σύσταση των καταλυτών, καθώς επίσης ελήφθησαν πληροφορίες για την οξειδωτική κατάσταση των μετάλλων, επιβεβαιώνοντας τον μηχανισμό της γαλβανικής αντικατάστασης/ απόθεσης. Τέλος, με τη χρήση ηλεκτροχημικών τεχνικών γραμμικής βολταμμετρίας αργής σάρωσης (Linear Sweep Voltammetry, LSV) και χρονοαμπερομετρίας παλμών δυναμικού (Chrono-Amperometry, CA) μελετήθηκε η OER λαμβάνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα, συγκρίσιμα έως και ελαφρώς βελτιωμένα σε σχέση με καταλύτες IrO2 που έχουν παρασκευαστεί με άλλες μεθόδους
description: The aim of this work is to prepare IrO2 catalysts on inert (for catalysis) supports by depositing the minimum quantity of Ir and at the same time improve their electrocatalytic activity and stability. For this reason, IrO2 catalysts on Ni/GC (glassy carbon) and Ti supports were prepared via a galvanic replacement/ deposition method followed by electrochemical anodization. In the first case IrO2/Ir(Ni) film electrodes of variable Ni content were prepared via a galvanic replacement method, whereby surface layers of pre-deposited Ni were replaced by Ir, followed by electrochemical anodization. Electrodeposition of Ni on a glassy carbon electrode support was carried out in constant potential and the charge of electrodeposited Ni was controlled in order to investigate the effect of precursor Ni layer thickness on the electrocatalytic activity of the corresponding IrO2/Ir(Ni)/GC electrodes for oxygen evolution reaction (OER). In the second case highly active IrO2-modified Ti electrodes were prepared via a simple galvanic deposition process whereby a freshly etched Ti substrate was treated with an Ir(IV) solution, resulting in the reduction-deposition of Ir(IV) as metallic Ir on the surface of the Ti substrate with the simultaneous oxidation of nearby freshly etched Ti sites. After their preparation, both kinds of electrodes were characterized by microscopic (SEM) and spectroscopic (EDS, XPS) techniques, revealing a) the formation of homogeneous Ir films on the Ni support and a thin IrO2 layer on their surfaces and b) Ir dispersion on Ti substrate. Electrochemical characterization of these electrodes was achieved by the cyclic voltammetry technique. Finally, the electrodes were tested as OER anodes by slow potential sweep voltammetry and constant potential amperometry and exhibited a comparable or even enhanced electrocatalytic activity for oxygen evolution reaction (OER) to other IrO2 anodes