Naslov (srp)

Бифункционални електрокатализатори за електролизу воде добијени директном карбонизацијом јонских течности са металом (Pt, Ni, Fе, Cu)  : докторска дисертација

Autor

Georgijević, Jelena,

Doprinosi

Milikić, Jadranka, 1987-
Stojković Simatović, Ivana, 1979-
Zdolšek, Nikola, 1989-
Tasić, Gvozden, 1978-
Cvjetićanin, Nikola, 1959-
Šljukić-Paunković, Biljana, 1975-

Opis (eng)

Hydrogen is one of the most promising sources of clean energy, as its use does not result ingreenhouse gas emissions and it can be produced from renewable energy sources. However, forhydrogen 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 methodsfor obtaining green hydrogen, as it enables the direct conversion of electrical energy into the chemicalenergy of hydrogen without releasing harmful byproducts. Nevertheless, the widespread applicationof 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 reactioninclude 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 thebest performance, their high cost and limited reserves present significant limitations for widespreadindustrial application. For this reason, increasing attention is being given to the development oftransition metal-based electrocatalysts and their carbon composites. A simple method for preparingcarbon-based materials involves the use of ionic liquids (ILs).In this doctoral dissertation, bifunctional electrocatalysts based on transition metals and carbonwere developed through the direct carbonization of ionic liquids, with the aim of identifying theoptimal bifunctional catalyst for green hydrogen production via water electrolysis, specifically forthe hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction. This synthesis method allows forcontrol over the structure and properties of the catalyst, simplifies the preparation process, andreduces production costs. Three groups of ionic liquids containing different cations and anions wereselected 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 electrochemicalcharacteristics of the catalysts, while the choice of metal significantly influences their catalyticefficiency and stability. The first group includes ionic liquids containing nickel and platinum (aimedat 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 ionicliquids containing iron and copper (for the synthesis of Fe/C, Cu/C, and Fe,Cu/C). These ionic liquidswere selected due to their ability to form stable complexes with metal chlorides, enabling simplesynthesis 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 withthe [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 practicalapplication in alkaline water electrolyzers for hydrogen evolution reaction catalysis. On the otherhand, materials containing iron and copper (Fe,Cu/C) have demonstrated promising activity for theoxygen 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 forthe synthesis of highly efficient and cost-effective electrocatalysts for green hydrogen production.These materials demonstrated excellent stability and performance, making them promisingcandidates for broader application in sustainable energy.

Opis (srp)

Водоник је један од најперспективнијих извора чисте енергије, јер током његовеупотребе не долази до емисије гасова стаклене баште, а може се произвести из обновљивихизвора енергије. Међутим, како би се водоник широко применио као енергетски носилац,неопходно је развити ефикасне, економски исплативе и дуготрајно стабилне методе његовепроизводње. Електролиза воде представља једну од најперспективнијих метода за добијањезеленог водоника, јер омогућава директну конверзију електричне енергије у хемијску енергијуводоника, без ослобађања штетних нус продуката. Ипак, широка примена овог процесаограничена је високом ценом и ограниченом доступношћу конвенционалнихелектрокатализатора, који омогућавају ефикасну реакцију издвајања водоника и издвајањакисеоника.Тренутно се као електрокатализатори за реакције издвајања водоника и издвајањекисеоника користе материјали на бази племенитих метала (Pt, IrО2, RuО2), као и материјали набази прелазних метала (Ni, Fe, Co, Cu, Mo) и неметала (B, C, N, P, S). Иако племенити металипоказују најбоље перформансе, њихова висока цена и ограничене резерве представљајузначајно ограничење за широку индустријску примену. Из тог разлога, све већа пажња сепосвећује развоју електрокатализатора на бази прелазних метала и њихових угљеничнихкомпозита. Једноставан метод за припрему угљеничних материјала је коришћење јонскихтечности.У овој докторској дисертацији развијени су бифункционални електрокатализатори набази прелазних метала и угљеникa, добијени директном карбонизацијом јонских течности, уциљу идентификације оптималног бифункционалног катализатора за производњу зеленогводоника путем електролизе воде, тј. за реакције издвајања водоника и кисоника. Ова методасинтезе омогућава контролу структуре и својстава катализатора, поједностављује поступакприпреме и смањује трошкове производње. За синтезу су одабране три групе јонских течностикоје садрже различите катјоне и анјоне, како би се испитао њихов утицај на морфологију иактивност катализатора. Експериментална испитивања показала су да присуство одређениханјона побољшава електрохемијске карактеристике катализатора, док избор метала значајноутиче на њихову каталитичку ефикасност и стабилност. Прву групу обухватаће јонскетечностикоје садрже никл и платину (у циљу добијања Ni/C и Pt/C), другу групу чиниће јонскетечности 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 формирајустабилне комплексе са металним хлоридима, што омогућава једноставну синтезу и контролусвојстава добијених материјала.На основу добијених резултата, може се закључити да Ni/C(Hm) катализатор, синтетисанса [Hmim]- анјоном, показује најбоље кинетичке перформансе у реакцији издвајања водоника.Међутим, и даље је неопходно унапређење перформанси овог материјала како би се омогућилањегова практична примена у алкалним воденим електролизерима за катализу реакцијеиздвајања водоника. Са друге стране, материјали са гвoжђем и бакрoм (Fе,Cu/C) су пoказалиoбећавајућу активнoст за реакцију издвајања кисеоника, упоредиву или бољу у односу наматеријале из литературе, штo их чини потенцијалним кандидатима за примену каоелектрокатализатора у електролизи воде.Закључно, директна карбонизација јонских течности са металима је успешно примењеназа синтезу високо ефикасних и економичних електрокатализатора за производњу зеленогводоника. Oви материјали су показали одличну стабилност и перформансе, што их чиниобећавајућим за ширу примену у одрживој енергетици.

Opis (srp)

Физичка хемија - Физичка хемија материјала и Физичка хемија - електрохемија Datum odbrane: 12.06.2025.

Jezik

srpski

Datum

2025

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

Hydrogen evolution reaction (HER), Oxygen evolution reaction (OER), Metalcontaining ionic liquids, Transition metals, Carbon

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

реакција издвајања водоника, реакција издвајања кисеоника, јонске течности које садрже метал, прелазни метали, угљеник