Investigation of the activation mechanism of Ni-based compounds as electrocatalysts for water oxidation in the presence of heteroatom impurities

Abstract

Abstract Hydrogen is considered a promising source of energy for sustainable development. Water splitting is a technology to produce hydrogen in an environmentally friendly manner. Hydrogen production through water splitting consists of two half-reactions including hydrogen evolution and oxygen evolution occurring in the cathode and anode, respectively. OER suffers from slow kinetic and highly efficient electrocatalysts are required. The designed efficient catalysts need to be highly active and durable for OER. Furthermore, electrocatalysts are required to be obtained from cheap and abundant materials. Ni-based compounds have been investigated extensively for water oxidation. However hetero atom doping was extensively studied as an efficient method to enhance the OER activity of Ni-based compounds. Cations like cobalt and iron were incorporated as transition metal impurities to enhance the performance of catalysts for OER. Additionally, anions like nitrogen, sulfur, and phosphorus were utilised as doping agents to enhance the OER efficiency of the Ni-Fe compounds. A systematic study is required to investigate the effect of impurities and dopants on different characteristics including crystal structure, morphology, composition, and surface chemistry of the catalyst. A correlation between change in the characteristics of the catalyst and efficiency enhancement needs to be identified to design a better electrocatalyst. In this work first, the effect of transition metal impurities in electrolytes on nickel hydroxide characteristics and efficiency will be investigated. It was found out Iron enhances the efficiency of nickel hydroxide by enhancing charge transfer for the reaction and preserving the structure. second, effects of sulfur on nickel-iron hydroxide efficiency will be discovered. According to the obtained results, sulfur enhance the efficiency of nickel-iron hydroxide by accelerating the structural change and modulating the surface energies for the intermediate of water oxidation reaction.|수소는 지속 가능한 발전을 위한 유망한 에너지원으로 간주됩니다. 물분해는 친환경적으로 수소를 생산하는 기술이다. 물 분해를 통한 수소 생산은 각각 음극과 양극에서 발생하는 수소 발생과 산소 발생을 포함한 두 가지 반쪽 반응으로 구성됩니다. OER은 운동 속도가 느리기 때문에 고효율 전기촉매가 필요합니다. 설계된 효율적인 촉매는 OER을 위해 매우 활성적이고 내구성이 있어야 합니다. 또한, 전기촉매는 값싸고 풍부한 재료로부터 얻어야 한다. Ni 기반 화합물은 물 산화에 대해 광범위하게 연구되었습니다. 그러나 헤테로 원자 도핑은 Ni 기반 화합물의 OER 활성을 향상시키는 효율적인 방법으로 광범위하게 연구되었습니다. OER용 촉매의 성능을 향상시키기 위해 코발트 및 철과 같은 양이온을 전이금속 불순물로 포함시켰습니다. 또한 Ni-Fe 화합물의 OER 효율을 높이기 위해 질소, 황, 인과 같은 음이온을 도핑제로 활용했습니다. 촉매의 결정구조, 형태, 조성, 표면화학 등 다양한 특성에 불순물과 도펀트가 미치는 영향을 조사하기 위해서는 체계적인 연구가 필요합니다. 더 나은 전기촉매를 설계하기 위해서는 촉매 특성 변화와 효율 향상 사이의 상관관계를 규명해야 한다. 본 연구에서는 먼저 전해질 내 전이금속 불순물이 수산화니켈 특성 및 효율에 미치는 영향을 조사할 것이다. 철은 반응을 위한 전하 이동을 향상시키고 구조를 보존함으로써 수산화니켈의 효율을 높이는 것으로 밝혀졌습니다. 둘째, 니켈-철 수산화물 효율에 대한 황의 영향이 발견될 것입니다. 얻은 결과에 따르면, 황은 물 산화 반응 중간에 구조 변화를 가속화하고 표면 에너지를 조절하여 니켈-철 수산화물의 효율을 향상시킵니다.