Study of thin-film catalysts for the hydrogen evolution reaction in a proton-exchange membrane water electrolyzer

Abstract

Title: Study of thin-film catalysts for the hydrogen evolution reaction in a proton-exchange membrane water electrolyzer Author: Bc. Jaroslav Herman Department / Institute: Department of Surface and Plasma Science Supervisor of the master thesis: RNDr. Peter Kúš, Ph.D., Department of Surface and Plasma Science Abstract: Proton exchange membrane water electrolyzers represent a promising technology for hydrogen production in a concept of hydrogen economy. However, their widespread adoption is hindered by the high cost associated with the required noble metal catalysts for electrochemical reactions. Therefore, the primary objective of this thesis is to develop a functional catalyst layer for the cathodic hydrogen evolution reaction with an ultra-low platinum loading (~20 µg cm-2 ), using magnetron sputtering. Although layers with this platinum loading deposited onto modified, sputter-etched membrane initially exhibit high performance, they fail to maintain stability during long-term operation. Through comprehensive electrochemical impedance spectroscopy analysis and supporting characterization methods, catalyst degradation was attributed to particle growth and primarily loss of electrical connectivity between platinum sites. To address this, the study demonstrates that the platinum layers can be effectively...

Název práce: Studium tenkovrstvých katalyzátoru pro reakci vzniku vodíku v elektrolyzérech vody s protonově vodivou membránou Autor: Bc. Jaroslav Herman Katedra / Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu Vedoucí diplomové práce: RNDr. Peter Kúš, Ph.D., Katedra fyziky povrchů a plazmatu Abstrakt: Elektrolyzéry vody s protonově vodivou membránou jsou perspektivní technologií pro produkci vodíku v konceptu vodíkového hospodářství. Jejich plošnému nasazení ale brání vysoká cena ušlechtilých kovů, které se používají jako katalyzátory v elektrochemických reakcích. Cílem této práce je proto vyvinutí funkční katodové katalytické vrstvy pro reakci vzniku vodíku s ultra-nízkým obsahem platiny (~20 µg cm-2 ) pomocí magnetronového naprašování. Vrstvy o takovým obsahem platiny deponované na upravenou (leptanou) membránu mají sice zpočátku vysokou výkonnost, nedokážou ji ale při dlouhodobé zátěži udržet. Pomocí elektrochemické impedanční spektroskopie a dalších analytických metod byla tato degradace vysvětlena růstem platinových částic, zejména ale ztrátou elektrického propojení mezi jednotlivými aktivními místy. Tato práce předkládá řešení tohoto problému přidáním naprášené vrstvy elektronově vodivého materiálu, který částice platiny efektivně stabilizuje. Tento efekt byl studován zejména u uhlíku, který zvýšil...