Syntéza nanostruktur ušlechtilých kovů metodou depozice atomárních vrstev pro elektrokatalytické aplikace

Abstract

V této práci byla použita technika depozice atomárních vrstev (ALD) pro precizní syntézu dvou reprezentativních elektrokatalyzátorů na bázi ušlechtilých kovů pro reakci vývoje vodíku (HER) v alkalickém prostředí. Ruthenium (Ru) a iridium (Ir) byly deponovány přímo na vodivý povrch aktivovaného uhlíkového papíru za účelem výroby elektrod bez pojiva a s přesnou kontrolou nad množstvím kovu a morfologií kovu pouhou změnou počtu ALD cyklů. Zvýšení počtu ALD cyklů tak vedlo k vývoji částic Ru a Ir z jednotlivých izolovaných atomů přes subnanometrové shluky až do nanočástic. Transmisní elektronová mikroskopie potvrdila tento morfologický vývoj nanesených ušlechtilých kovů, zatímco rentgenová fotoelektronová spektroskopie ověřila jejich chemický stav před a po elektrochemických experimentech. Řízená morfologie umožnila stanovit přímé korelace mezi strukturou katalyzátoru a elektrochemickým výkonem. Elektrochemická měření ukázala, že elektrody na bázi Ru vykazují mimořádně vysokou vnitřní aktivitu při nízkém množství kovu, což se projevuje nízkými hodnotami přepětí pouze 4,7 mV při -10 mA cm-2 a vysoké rychlostní konstanty katalyzátoru díky příznivé adsorpci vodíku a disociaci vody. Naproti tomu elektrody na bázi Ir vykazovaly postupně se zlepšující výkon HER se zvyšujícím se zatížením kovem až do optimální střední hustoty nanočástic. Nejvýkonnější Ir elektroda vykazovala přepětí 32,7 mV při -10 mA cm-2, nízký odpor přenosu náboje a trvalou stabilitu během dlouhodobého provozu. Analýza elektrochemicky aktivní povrchové plochy, hustoty aktivních center, hmotnostní aktivity a frekvence obratů ukázala, že výkon alkalického HER je řízen vyváženou souhrou mezi vnější architekturou elektrody a vnitřní aktivitou na úrovni aktivního místa, spíše než pouhým zatížením kovem. Tato zjištění jasně demonstrují ALD jako účinnou technologii pro racionální návrh účinných, spolehlivých a odolných elektrokatalyzátorů HER na bázi ušlechtilých kovů.