Odseki

ARRS Temeljni projekti

Namen predloženega projekta je izboljšati temeljno razumevanje HER na katodnih katalizatorjih na osnovi niklja in uporabiti to znanje za razvoj nove generacije nikljevih katalizatorjev z 10-krat večjo aktivnostjo kot to navaja najsodobnejša literatura.

Vse večje povpraševanje po energiji postaja eden večjih globalnih izzivov sodobnega časa, ki povzroča tako gospodarske kot eksistencialne krize. Soočamo se bodisi s sežiganjem več fosilnih goriv, ki so planetu že povzročila nepopravljivo škodo, ali pa z iskanjem alternativnih in čistih načinov proizvodnje, zajemanja in uporabe energije. Ena od strategij je pretvarjanje trajnostne energije, kot sta veter in sonce, v kemična goriva, ki jih je mogoče fleksibilno shraniti in prevažati. Plin vodik je idealen kandidat zaradi največje gostote energije med kemičnimi gorivi in ničelne emisije onesnaževal med kemično pretvorbo. Elektrokemična proizvodnja vodika iz vodnih elektrolitov je eden bolj obetavnih pristopov, ki se ujema s čistim in trajnostnim energetskim ciklom, dokler se električna energija za elektrolizo dobavlja iz ogljično nevtralnega obnovljivega vira. Trenutno obstajajo tri tehnologije za elektrolitsko proizvodnjo vodika: (i) vodna elektroliza s kislo protonsko izmenjevalno membrano (PEM), (ii) elektroliza alkalne vode in (iii) kloralkalna elektroliza. Zaradi težav s stabilnostjo kislo okolje omejuje izbiro materialov, ki se uporabljajo za katalizacijo vodne elektrolize na drage kovine, bolj natančno kovine platinaste skupine (PGM), zaradi česar je ta tehnologija neuporabna za razširjeno uporabo, saj na Zemlji ni dovolj PGM. Hkarti pa je tudi trenutno industrijsko neprivlačna, da bi tekmovala s konvencionalnimi tehnikami za proizvodnjo vodika, kot je reformiranje s paro. Po drugi strani pa alkalni in nevtralni elektroliti ponujajo veliko varnejše in blažje okolje, kjer lahko učinkovito delujejo tudi katalizatorji, ki niso PGM. Približno 10 % svetovne električne energije se že uporablja v kloralkalnem procesu, zaradi česar je ena energetsko najbolj intenzivnih industrij. Zato bi poleg učinkovitejšega gospodarjenja z vodikom tudi proizvodnja klora in natrijevega hidroksida (kavstična soda) imela velike koristi od napredka v tehnologiji. Trenutno je ena izmed najbolj uporabljenih kovin, ki niso PGM, v industrijskih alkalnih vodah in (nevtralni) klor-alkalni elektrolizi nikelj, ki velja za staro tehnologijo, ki deluje dovolj dobro. Vendar pa je eden največjih izzivov za elektrokatalitično proizvodnjo vodika v elektrolitih s skoraj nevtralnimi in alkalnimi pH vrednostmi počasna narava reakcije izločanja vodika (HER), ki ima za posledico nižjo učinkovitost celotnega procesa. Ker v zadnjih desetletjih ni bilo večjega napredka na strani katalizatorja, obstaja velika priložnost, da izkoristite izrazit napredek v temeljnem razumevanju na področju elektrokatalize, oblikovanja katalizatorskih materialov ter moči in razpoložljivosti karakterizacijskih tehnik za izdelavo preboj v tej tehnologiji.

Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije C za obdobje treh let v obsegu 10934 letnimi urami za obdobje 3 let. Pričetek financiranja je 1. 10. 2022.

Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Sestava projektne skupine:

Sodelujoče organizacije:

• Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
• Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
• Institut »Jožef Štefan«
• Univerza v Novi Gorici

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini sodelujejo:

1) Sinteza in karakterizacija modelnih vmesnikov Ni

2) Temeljno razumevanje vodilnih načel v HER elektrokemiji o Ni v alkalnih in nevtralnih elektrolitih

3) Uporaba razumevanja HER na Ni pri razvoju vmesnika za Ni

4) Načrtovanje in modeliranje morfologije mezoskalne površine za nadzorovan transport mase na in iz površine katalizatorja

5) Sinteza realnih in uporabnih Ni katalizatorjev za HER

Vmesno poročilo 2024

•Miha Nosan, Dušan Strmčnik, Vasiliy Brusko, Maria Kirsanova, Matjaž Finšgar, Ayrat M. Dimiev and Boštjan Genorio, Correlating nickel functionalities to selectivity for hydrogen peroxide electrosynthesis, Sustainable Energy Fuels,, Volume 7, 2023, 2270-2278, DOI: 10.1039/D3SE00139C

•Dušan V. Tripković, Dragana L. Milošević, Sanja I. Stevanović, Ksenija Dj. Popović, Vladislava M. Jovanović, Pietro P. Lopes, Pedro F B D Martins, Vojislav R. Stamenković, and Dušan Strmčnik, Design of Advanced Thin-Film Catalysts for Electrooxidation of Formic Acid, ACS Catalysis Volume 14, 2024, 2380-2387 DOI: 10.1021/acscatal.3c05520

•Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Igor Plazl, Dusan Strmcnik, Bostjan Genorio, Prospect of microfluidic devices for on-site electrochemical production of hydrogen peroxide, Current Opinion in Electrochemistry, Volume 38, 2023, 101223, ISSN 2451-9103, doi.org/10.1016/j.coelec.2023.101223

•Anja Lončar, Primož Jovanovič, Nejc Hodnik and Miran Gaberšček J. Electrochem. Soc. Volume 170, 2023, 044504 DOI 10.1149/1945-7111/accaad

•Ožbej Vodeb, Anja Lončar, Marjan Bele, Armin Hrnjić, Primož Jovanovič, Miran Gaberšček, Nejc Hodnik, Intrinsic properties of nanoparticulate Ir-based catalysts for oxygen evolution reaction by AC voltammetry, Electrochimica Acta, Volume 464, 2023, 142882, ISSN 0013-4686, doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142882

•Luka Pavko, Matija Gatalo, Tina Đukić, Francisco Ruiz-Zepeda, Angelja Kjara Surca, Martin Šala, Nik Maselj, Primož Jovanovič, Marjan Bele, Matjaž Finšgar, Boštjan Genorio, Nejc Hodnik, Miran Gaberšček, Correlating oxygen functionalities and electrochemical durability of carbon supports for electrocatalysts, Carbon, Volume 215, 2023, 118458, ISSN 0008-6223, doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118458

•Matej Petković, Jurica Levatić, Dragi Kocev, Martin Breskvar, Sašo Džeroski, CLUSplus: A decision tree-based framework for predicting structured outputs, SoftwareX, Volume 24, 2023, 101526, ISSN 2352-7110, doi.org/10.1016/j.softx.2023.101526