Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Insight into the water oxidation mechanism on nickel hydroxide electrocatalysts: Density Functional Theory calculations and Electrochemical experiments
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (The Nano for Energy group)
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Hydrogen production is an interesting way to store solar energy and to diversify the range of applications for indirect solar power. A promising production method is to use electric power from solar photovoltaic cells to split water in an electrolysis setup. To efficiently run such a setup, one must however have an efficient catalytic material on the two electrodes. This work presents a study of a catalytic material for the oxygen evolution electrode; nickel hydroxide.

The study is performed both experimentally and theoretically. In the experimental part, an electrode material was synthesized by growing nitrogen doped carbon nanotubes (NCNTs) on a carbon paper (CP) and then decorating the NCNTs with the catalytic material. Scanning electron microscopy (SEM) images of the electrode material showed that the NCNTs were individually coated with a spiky nickel hydroxide nanostructure, with a very large surface area.

Electrodes with both as-prepared catalytic material and catalytic material first treated in an alkaline solution were then tested in a three-electrode electrolysis setup, in alkaline conditions. It was found that the overpotential for onset of the oxygen evolution reaction (OER) was roughly 0.27 V, which is in the range of previous reports. In contradiction to other reports, the data of this work however indicated that aging the catalytic material decreased its activity and hence that the phase often stated as the more active, was in fact the less active phase. The overall efficiency of the electrodes was found to be low, most likely due to overloading of active material in the electrode structure.

The theoretical part of the work focused on using Density Functional Theory (DFT) simulations to analyze the OER pathway on three different surfaces of the catalytic material. To simulate the effect of an alkaline environment these surfaces were also passivated with hydroxyl groups in some of the simulations. The lowest overpotential for OER onset found in the calculations was 0.68 V. The calculations further showed that, for the pathways with the smallest overpotentials, the limiting reaction step was a step where an adsorbed hydroxyl group was deprotonated by a hydroxide ion from the solution and oxidized to an adsorbed oxygen atom.

In addition, the calculations also indicated that passivation of the surfaces had the important effect of lowering the overpotentials for two of the three studied surfaces. 

Abstract [sv]

Vätgasproduktion är en mycket intressant metod för att lagra solenergi och för att diversifiera applikationsområdena för indirekt solenergi. En lovande metod är att använda elektrisk energi från solceller för att dela vattenmolekyler i en elektrolysuppställning. För att en sådan elektrolys ska bli effektiv, måste man dock ha effektiva katalysatorer på de två elektroderna. Denna rapport presenterar en studie av nickelhydroxid, ett katalytiskt material för elektroden vid vilken syrgas produceras.

Studien har utförts både teoretiskt och experimentellt. I den experimentella delen syntetiserades ett elektrodmaterial genom att kolpapper kläddes i kvävedopade kolnanorör, som sedan dekorerades med katalytiskt material. Avbildningar av elektrodmaterialet med svepelektronmikroskopi visade att kolnanorören var individuellt klädda av en taggig nickelhydroxidstruktur, med mycket stor ytarea.

Elektroder direkt från syntes och elektroder som först behandlas i basisk lösning testades sedan i en tre-elektrodupppställning, i basisk lösning. Överspänningen för att starta den syrgasproducerande reaktionen uppmättes till cirka 0.27 V, vilket ligger i ett intervall av tidigare rapporterade värden. I motsats till andra rapporter, indikerade denna studie att det åldrade materialet var mindre aktivt och därmed att den fas som ofta antas vara mer aktiv, här var den mindre aktiva fasen. Elektrodernas generella aktivitet var dock låg, förmodligen beroende på en för stor mängd katalytiskt material i elektroderna.

I det teoretiska arbetet användes DFT (Density Functional Theory) för att analysera reaktionsvägen för den syrgasproducerande reaktionen. Reaktionsvägen studerades på tre av materialets ytor. För att simulera effekten av en basisk omgivning, passiverades dessa ytor också med hydroxylgrupper i vissa simuleringar. Den lägsta överspänningen för att starta reaktionen beräknades till 0.68 V. För reaktionsvägarna med de minsta överspänningarna, visade beräkningarna vidare att det begränsande reaktionssteget var ett steg där en adsorberad hydroxylgrupp deprotonerades av en hydroxidjon från elektrolyten och oxiderades till en adsorberad syreatom.

Slutligen visade beräkningarna även att passivering av ytorna minskade den nödvändiga överspänningen för två av de tre studerade ytorna.

Place, publisher, year, edition, pages
2016.
National Category
Atom and Molecular Physics and Optics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-117041OAI: oai:DiVA.org:umu-117041DiVA: diva2:904238
Subject / course
Examensarbete i teknisk fysik
Educational program
Master of Science Programme in Engineering Physics
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-02-18 Created: 2016-02-18 Last updated: 2016-02-18Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4248 kB)142 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4248 kBChecksum SHA-512
e2615008a34c2ac5d798a48abc919156a9a834b9dfda307395ba6e0885e182c7f774e03a9e9f8af2a4242c054de98157fbf9b14ff622cda646e336d12b666bea
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Physics
Atom and Molecular Physics and Optics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 142 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 703 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf