Design of 3-dimensional Ni-based electrocatalysts for the oxygen evolution reaction.

Hao, Minghui (2022). Design of 3-dimensional Ni-based electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 195 p.

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Résumé

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L'électrolyse de l'eau est reconnue comme l'une des technologies les plus prometteuses pour la conversion d'énergie durable. Un processus typique d'électrolyse de l'eau implique deux réactions de dégagement de gaz (GER), à savoir la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER). Pour obtenir une OER hautement efficace, l'atténuation de l'apport d'énergie élevé causé par ses 4 processus de transfert d'électrons et le transport de masse des produits d'oxygène est la clé. Les catalyseurs à base de Ni sont des matériaux alternatifs aux catalyseurs de métaux nobles pour l’OER en milieu alcalin grâce à leur riche abondance et leur haute résistance à la corrosion électrolytique. En termes d'activité intrinsèque pour l’OER, en général, le Ni métallique ou ses entités catalytiques réelles, soit le Ni(OH)2/NiOOH, sont beaucoup moins actifs que IrO2 ou RuO2. Notamment, après nano-structuration et fonctionnalisation de la surface, son activité apparente pourrait être compétitive ou supérieure à celle de IrO2 ou RuO2. Les nanostructures pourraient conférer aux électrodes non seulement une grande surface, mais également des propriétés aérophobes, facilitant la libération de bulles pour le GER. Les modifications hétéroatomiques de la surface du catalyseur aident à améliorer l'activité intrinsèque, y compris la fréquence de renouvellement et l'hydrophilie locale. Il serait impératif d'apprendre comment ces deux approches se sont construites ensemble pour les catalyseurs d’OER de nouvelle génération. Dans cette thèse de doctorat, nous avons étudié des électrodes Ni avec des architectures 3D pour l’OER par électrodéposition. Dans le premier projet, nous avons synthétisé des réseaux de nanofils de Ni (Ni NW) en utilisant l'électrodéposition de systèmes modèles à travers une membrane poreuse en oxyde d'aluminium. Cette nanostructure autoportante de Ni présente des surfaces électrochimiquement actives considérablement améliorées. Ce mérite conduit à une réduction concomitante de la surtension d’OER obtenue dans l'électrolyte de KOH 1M. Dans le deuxième et troisième projet, nous avons synthétisé des mousses de Ni fractal avec une méthode de modèle des bulles d'hydrogène. Ces mousses de Ni présentent une structure primaire poreuse et une structure secondaire plus poreuse de type chou-fleur. Ils peuvent développer une grande surface activée électrochimiquement, jusqu'à 270 fois celle d'une plaque de Ni. Ils présentent également un caractère super-aérophobe qui maximise la surface de contact entre l’électrolyte et les sites actifs de l'électrode, même dans des conditions de fort dégagement d'O2. De plus, lorsqu'elle est décorée avec une quantité minimale d'Ir déposé par une réaction de remplacement galvanique, l'électrode 3D de Ni atteint une activité exceptionnelle pour l’OER, et ses conditions de mouillage dans la structure poreuse sont davantage améliorées, entraînant une surtension de 195 mV à 10 mA cm-2 et une pente de Tafel de 46 mV déc-1. Une telle activité fait de l'anode de Ni poreuse l'un des catalyseurs d’OER à base de Ni les plus performants rapportés à ce jour.

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Water electrolysis is recognized as one of the most promising technologies for sustainable energy conversion. A typical water electrolysis process involves two gas evolution reactions (GER), namely hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). For achieving highly efficient OER, mitigating the high energy input caused by its 4 electron transfer processes and mass transport of oxygen products is the key. The Ni-base catalysts will be alternative materials of noble metal catalysts for OER in an alkaline medium thanks to their rich abundance and high resistance to electrolyte corrosion. In terms of intrinsic activity for OER, in general, metallic Ni or its actual catalytic entities Ni(OH)2/NiOOH is much less active than IrO2 or RuO2. Notably, after nano-structuring and surface functionalization, its apparent activity could be competitive or superior to that of IrO2 or RuO2. Nanostructures could impart electrodes not only large surface area but also aero-phobic properties, facilitating the bubble releasing for GER. Heteroatom modifications of catalyst surface help improve intrinsic activity, including the turnover frequency and local hydrophilicity. It would be imperative to learn how those two approaches built up together for the new generation OER catalysts. In this doctoral dissertation, we constructed Ni electrodes with 3D architectures for OER through electroplating. In the first project, we synthesized Ni nanowires (Ni NW) arrays using template electrodeposition through a porous aluminum oxide membrane. This self-supporting Ni nanostructure display significantly enhanced electrochemically active surfaces. This merit leads to a concomitant reduction of the OER overpotential obtained in 1M KOH electrolyte. In the second and third projects, we synthesized fractal Ni foams with a hydrogen bubble templating method. The Ni foams display a porous primary structure and a more porous cauliflower-like secondary structure. They can develop a large and electrochemically activated surface area, up to 270 times that of a Ni plate. They also exhibit a super-aerophobic character responsible for maximizing the contact area between the active sites of electrode and electrolyte, even under conditions of high O2 evolution. In addition, when decorated with a minimal amount of Ir by the galvanic replacement reaction, the 3D Ni electrode achieves an outstanding activity for OER, and its wetting condition in the porous structure is further improved, resulting in an overvoltage of 195 mV at 10mA cm-2 and a Tafel slope of 46 mV dec1. Such activity makes the porous Ni anode one of the best performing Ni-based OER catalysts reported to date.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Guay, Daniel
Mots-clés libres:	nickel; réseaux de nanofils; électrode poreuse 3D; électrolyse de l'eau alcaline; super-aérophobie; super-hydrophilie; spectroscopie d'impédance électrochimique; émission acoustique; nickel; nanowire arrays; 3D porous electrode; alkaline water electrolysis; superaerophobicity; super-hydrophilicity; electrochemical impedance spectroscopy; acoustic emission
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	30 mars 2023 19:00
Dernière modification:	15 janv. 2024 05:00
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13186

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