Optimization of cobalt oxide deposition on model carbon materials (OMC, CNF) to obtain stable composites with high electrocatalytic activity

Obecnie rozwijający się świat potrzebuje coraz większej ilości energii, wzmaga się także troska o losy środowiska naturalnego. Wodór, jako jeden z badanych obecnie surowców zyskuje coraz większe znaczenie w OZE oraz gospodarowaniu energii. Pochodzący z elektrolizy wody jest przyjazny środowisku, a jednocześnie stanowi paliwo dla wielu cykli energetycznych. Elektroliza wody wykorzystana do produkcji wodoru jest jedną z najprostszych dróg do gromadzenia i przechowywania energii pochodzącej z OZE (np. energii słonecznej czy wiatrowej) na długi czas oraz masową skalę. Ograniczeniem jest tutaj wolna reakcja wydzielania tlenu, która uniemożliwia skuteczną i wydajną elektrolizę. Jednym ze sposobów jest wykorzystanie elektrokatalizatorów kompozytowych składających się z nośnika, którego funkcję przyjmują materiały węglowe oraz tlenków metali przejściowych, katalizujących reakcje elektrolizy. Aby otrzymać stabilne kompozyty składające się z nośnika węglowego oraz tlenku kobaltu, przeprowadzono proces optymalizacji depozycji kobaltu na materiałach referencyjnych oraz modyfikowanych przy użyciu plazmą niskotemperaturową O2. Dla procesu funkcjonalizacji również przeprowadzono proces optymalizacji parametrów traktowania plazmą poprzez modyfikacje materiałów węglowych z wykorzystaniem różnych czasów traktowania. Próbki poddano analizie rentgenowskiej spektroskopii elektronów i analizie widm C1s, aby określić czas dla którego osiągnięto najwyższą zawartość aktywnego elektrochemicznie komponentu grupy COO. Wykonano także pomiar spektroskopią Ramana, aby sprawdzić wpływ plazmy na zmianę uporządkowania materiału. Dla próbek referencyjnych oraz modyfikowanych zoptymalizowaną plazmą przeprowadzono syntezy hydrotermalne z wykorzystaniem roztworów octanu kobaltu(II) o czterech różnych stężeniach jako prekursora kobaltu. Proces optymalizacji depozycji spinelu kobaltowego badano dla próbek za pomocą analizy fluorescencji rentgenowskiej i spektroskopii Ramana, w celu określenia udziału zawartości kobaltu, skaningowej mikroskopii elektronowej dla określenia morfologii próbek oraz wykonując pomiary elektrochemiczne metodami chronoamperometrii i woltamperometrii cyklicznej dla określenia aktywności i stabilności próbek. Analiza wyników pozwoliła otrzymać optymalne warunki syntezy spinelu kobaltowego: dla materiału CKIT6-1200 wykorzystanie plazmy tlenowej oraz roztworu prekursora 1 M, a dla materiału CNF650-15 plazmy tlenowej i roztworu o stężeniu 0,1 M.

Currently, the developing world needs more and more energy, and the concern for the fate of the natural environment is also increasing. Hydrogen, as one of the currently researched raw materials, is gaining more and more importance in renewable energy and energy management. The electrolysis of water used to produce hydrogen is one of the simplest ways to collect and store energy from RES (e.g. solar or wind energy) for a long time and on a massive scale. The limitation here is the slow reaction of oxygen evolution, which prevents effective and efficient electrolysis. One of the methods is the use of composite electrocatalysts consisting of a carrier whose function is assumed by carbon materials and transition metal oxides that catalyze electrolysis reactions. In order to obtain stable composites consisting of a carbon carrier and cobalt oxide, the process of optimizing cobalt deposition on reference materials and materials modified with the use of low-temperature O2 plasma was carried out. For the functionalization process, the process of optimizing plasma treatment parameters was also carried out by modifying carbon materials using different treatment times. The samples were analyzed by X-ray electron spectroscopy and analysis of C1s spectra to determine the time for which the highest content of the electrochemically active component of the COO group was reached. A Raman spectroscopy measurement was also performed to check the effect of plasma on the change in the ordering of the material. For reference samples and samples modified with optimized plasma, hydrothermal syntheses were carried out using cobalt(II) acetate solutions of four different concentrations as a cobalt precursor. The process of optimizing the cobalt spinel deposition was studied for the samples using X-ray fluorescence and Raman spectroscopy to determine the cobalt content, scanning electron microscopy to determine the morphology of the samples, and electrochemical measurements using chronoamperometry and cyclic voltammetry to determine the activity and stability of the samples. The analysis of the results allowed to obtain optimal conditions for the synthesis of cobalt spinel: for the CKIT6-1200 material, the use of oxygen plasma and a 1 M precursor solution, and for the CNF650-15 material, oxygen plasma and a solution with a concentration of 0.1 M.