Research of nanostructured catalysts for hydrogen technologies by advanced electrochemical and operando methods

Abstract

Title of the Thesis Research of nanostructured catalysts for hydrogen technologies by advanced electrochemical and operando methods Author: Tomáš Hrbek Institution: Faculty of Mathematics and Physics, Charles University Supervisor: Dr. Peter Kúš Year: 2025 Abstract The development of efficient and stable oxygen evolution reaction (OER) catalysts is es- sential for the practical deployment of Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEM-WEs) in the hydrogen economy. This thesis explores the feasibility of preparing such catalysts using magnetron sputtering. Two complementary strategies are employed: a morphological approach involving plasma etching of the PEM surface to enhance the electrochemically active area, and a chemical approach that substitutes part of the irid- ium with ruthenium to reduce iridium loading. The catalysts are evaluated through elec- trochemical characterization in half-cell (RDE) and full-cell (PEM-WE) configurations, and analyzed using X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), X-ray Diffraction (XRD, WAXS), and other methods. As part of this work, a novel operando XPS electrochemical cell is developed and the operando WAXS methodology is further advanced. Ultimately, a new Ir-Ru (25:75) catalyst is fabricated, exhibiting excellent...

Název práce Výzkum nanostrukturovaných katalyzátorů pro vodíkové technologie pokročilými elektrochemickými a operando metodami Autor: Tomáš Hrbek Instituce: Matematicko-fyzikální fakulta Vedoucí práce: Dr. Peter Kúš Rok: 2025 Abstrakt Vývoj účinných a stabilních katalyzátorů pro reakci vzniku kyslíku (OER) je klíčový pro praktické masové využívání elektrolyzérů vody s protonově vodivou membránou (PEM- WE) v rámci vodíkového hospodářství. Tato práce zkoumá možnost přípravy takových katalyzátorů pomocí magnetronového naprašování. Uplatněny jsou dvě vzájemně se dopl- ňující strategie: morfologický přístup, který zahrnuje plazmové leptání povrchu membrány PEM za účelem zvětšení elektrochemicky aktivní plochy katalyzátoru, a chemický přístup, při němž je část iridia nahrazena rutheniem s cílem snížit množství použitého iridia. Ka- talyzátory jsou testovány elektrochemickými metodami v rotační diskové elektrodě (RDE) i reálných elektrolyzérech vody (PEM-WE) a analyzovány pomocí rentgenové fotoelektro- nové spektroskopie (XPS), elektrochemické impedanční spektroskopie (EIS), rentgenové difrakce (XRD,WAXS) a dalších metod. V rámci této práce byla vyvinuta nová elek- trochemická cela pro operando XPS a vylepšena metodologie měření operando WAXS. V rámci práce se podařilo vytvořit katalyzátor Ir-Ru 25:75 s vynikající...