Selenides of selected d-block metals – electrochemical synthesis, characterisation and energy applications

Stale zwiększające się zapotrzebowanie na energię elektryczną determinuje wzrost użycia paliw kopalnych w celu jej produkcji. Negatywne dla ludzi oraz środowiska skutki spalania tych paliw, a także wyczerpujące się ich złoża są motywacją do produkcji energii z odnawialnych źródeł. Gazowy wodór jest przykładem przyjaznego dla środowiska paliwa o bardzo wysokiej wartości opałowej. Elektroliza wody jest procesem, w którym można produkować zielony H2 na szeroką skalę – metoda ta stanowi alternatywę dla tych polegających na przeróbce paliw kopalnych. Niestety wysoki zapotrzebowanie energetyczny tego procesu wymaga do jego prowadzenia stosowania odpowiednich elektrokatalizatorów. Obecnie w tej dziedzinie poszukuje się związków, które mogą zastąpić wysoce wydajne, ale drogie związki oparte na Pt. Drugim ważnym aspektem w sektorze energetycznym jest efektywne magazynowanie energii elektrycznej. W tym zakresie prowadzone są badania nad nową grupą urządzeń nazywanych superkondensatorami. Zastosowanie w nich odpowiednich elektrod pozwala na magazynowanie dużo większej ilości ładunku elektrycznego, w porównaniu do tradycyjnych kondensatorów. W nawiązaniu do wyzwań w sferze energetyki niniejsza praca miała na celu syntezę materiałów mających potencjalne zastosowanie w dziedzinie konwersji oraz magazynowania energii. Badania opierały się na syntezie związków z grupy selenków wybranych metali bloku d (Mo, Ni, Cu) w oparciu o technikę ich elektroosadzania na podłożach węglowych z elektrolitów bazujących na rozpuszczalnikach głęboko eutektycznych (DESs). Ponadto, podjęto się także elektroosadzania z wodnego medium wysoce uporządkowanych struktur nanodrutów opartych na Mo oraz Mn w szablonach AAO, które następnie poddawano procesowi termicznej selenizacji. Otrzymane materiały scharakteryzowano za pomocą analiz SEM oraz EDS. Stwierdzono, że dobór warunków elektroosadzania w przypadku materiałów osadzanych z DES-ów miał wpływ zarówno na ich skład jak i morfologie. Udało się dokonać optymalizacji warunków elektrosyntezy struktur Mo-Se, Cu-Se oraz Ni-Se. W toku badań z powodzeniem uzyskano także struktury nanodrutów Mo-Se i Mn-Se. Ustalono, że materiały zsyntezowane z niewodnych elektrolitów DES wykazały efekt elektrokatalityczny w kierunku reakcji HER prowadzonej w kwasowym elektrolicie. Ponadto, uzyskane w większości materiały cechowały się dobrą pojemnością specyficzną i stabilnością cykliczną. Stanowi to przesłanki do możliwości wykorzystania ich jako elektrokatalizatorów w reakcjach HER/OER czy jako elektrod superkondensatorów.

The constant increase in demand for electricity determines an increase in the consumption of fossil fuels for its production. The negative human and environmental consequences of burning these fuels, as well as their depleting deposits, are motivating to production energy from renewable sources. Hydrogen gas is an example of an environmentally friendly fuel with a very high heating value. The electrolysis of water is a process by which green H2 can be produced on a large scale – this method is an alternative to those relying on the conversion of fossil fuels. Unfortunately, the high energy input of this process requires using suitable electrocatalysts to carry it out. Currently, the aim is to look for compounds that can replace highly efficient but expensive Pt-based compounds. A second important aspect of the current energy sector is the efficient storage of electricity. In this area, research is being conducted on a new group of devices called supercapacitors. The use of suitable electrodes allows them to store a large amount of electrical charge, exceeding the abilities of traditional capacitors. Regarding the challenges in the energy sector, the present work was based on the synthesis of materials with potential applications in the area of energy conversion and storage. The research was based on the synthesis of compounds from the group of selected d-block metals selenides (Mo, Ni, Cu) based on the technique of their electrodeposition on carbon substrates from electrolytes based on deep eutectic solvents (DESs). In addition, electrodeposition from an aqueous medium of highly organized Mo- and Mn-based nanowires structures in AAO templates, which were then subjected to a thermal selenisation process, was also undertaken. The obtained materials were characterised by SEM and EDS analysis. It was found that the selection of electrodeposition conditions for DES-deposited materials affected both their composition and morphologies. It was successful in optimising the electrodeposition conditions for Mo-Se, Cu-Se and Ni-Se structures. In this work, Mo-Se and Mn-Se nanowires structures were also successfully obtained. It was shown that the materials synthesised from non-aqueous DES electrolytes showed an electrocatalytic effect towards the HER reaction in acidic electrolytes. In addition, the mostly obtained materials exhibited good specific capacitance and cyclic stability. This provides indications for their possible use as electrocatalysts in HER/OER reactions or as supercapacitor electrodes.