Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos

Autores
Gómez, Melisa Julieta
Año de publicación
2022
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis doctoral
Estado
versión publicada
Colaborador/a o director/a de tesis
Lacconi, Gabriela Inés
Luque, Guillermina Leticia
Franceschini, Esteban Andrés
Oliveira, Rafael Gustavo
Viva, Federico Andrés
Descripción
Tesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2022
Fil: Gómez, Melisa Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.
Currently, the main source of energy comes from the consumption of fossil fuels, non-renewable resources and sources of greenhouse gas generation. Efforts to transition to a global economy based on other types of energy, such as renewable energies, are currently being made to reduce the use of fossil fuels. This imply facing challenges to reduce the costs of investments in equipment and production, and the coupling of systems to compensate for intermittencies in energy supply. In this context, the production of hydrogen as an energy vector becomes relevant, since it can be generated via electrolysis of water, functioning as a chemical energy storer, and its combustion generates only a harmless product, which is water. Electrochemical hydrogen production can be carried out using different equipment, where alkaline liquid electrolyzers (AEL) comprise the most mature and scalable technology for industrial production. These have the advantage of being able to use non-precious materials for the manufacture of components and electrodes. As electrodes, solid nickel plates are used for both cathodes and anodes, which, although they have good performance for hydrogen generation, are not sufficient to be competitive in the market. In addition, they present deactivation problems due to the formation of passivating surface compounds, and consequently, with a decrease in cycle life. Nickel can be synthesized by electrochemical deposition, commonly from the traditional Watts bath. The versatility of this technique allows modifying the composition of the electrolyte solution by incorporating transition metal salts or dispersed particles, to obtain nickel alloy coatings or composites, respectively. In this work, electrodes were synthesized by galvanostatic electrodeposition based on the nickel Watts bath, for hydrogen generation (HER) in 1 M KOH alkaline medium. AISI 316L steel was used as substrate with the aim of replacing the bulk with a lower cost material and high corrosion resistance in a highly alkaline medium. The synthesis of a nickel strike layer from a highly acidic nickel chloride bath was optimized to improve the adhesion between the substrate and the catalytic material layer. Nickel-cobalt alloys were synthesized by addition of cobalt (II) sulfate to the bath, nickel and titanium dioxide composites by incorporation of TiO2 P25 nanoparticles, and finally, by combining the above techniques, alloy-composite materials were obtained with nickel, cobalt and titanium dioxide. The electrodes were morphologically characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray scattering spectroscopy (EDS), confocal microscopy and Raman microscopy. In addition, electrochemical characterizations were performed for HER evaluation in KOH 1 M through 2 cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (or aging assays) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) experiments. Based on the characterizations indicated, it was determined that by means of a simple and scalable method such as electrodeposition of the nickel coating, it is possible to successfully obtain different electrode materials such as alloys and composites, which present current densities for HER that exceed by more than an order of magnitude those obtained for nickel Watts.
En la actualidad la principal fuente de energía proviene del consumo de combustibles fósiles, recursos no renovables y fuentes de generación de gases de efecto invernadero. Los esfuerzos En la actualidad la principal fuente de energía proviene del consumo de combustibles fósiles, recursos no renovables y fuentes de generación de gases de efecto invernadero. Los esfuerzos para realizar la transición hacia una economía global basada en otros tipos de energía, como las renovables, implican afrontar desafíos para disminuir los costos de inversiones en equipamiento y de producción, y el acople de sistemas para compensar las intermitencias en el suministro energético. En este contexto, cobra relevancia la producción de hidrógeno como vector energético, ya que puede generarse vía electrólisis del agua, funcionando como un almacenador químico de energía, y su combustión genera sólo un producto inocuo que es el agua. La producción de hidrógeno electroquímico se puede realizar empleando diversos equipos, donde los electrolizadores líquidos alcalinos (AEL) comprenden la tecnología de mayor madurez y escalabilidad para volúmenes de producción industriales. Estos presentan la ventaja de poder utilizar materiales no nobles para la fabricación de los componentes y electrodos. Como electrodos, se utilizan planchas de níquel macizo tanto como cátodos como para ánodos, los cuales, si bien tienen buenos rendimientos para la generación de hidrógeno, no son suficientes para tener competitividad en el mercado. Además, presentan problemas de desactivación por formación de compuestos superficiales pasivantes, y consecuentemente, con disminución de la vida útil. El níquel se puede sintetizar mediante deposición electroquímica comúnmente a partir del tradicional baño de Watts. La versatilidad de esta técnica permite modificar la composición de la solución electrolítica mediante la incorporación de sales de metales de transición o partículas dispersas, para la obtención de recubrimientos de aleaciones de níquel o composites, respectivamente. En este trabajo se sintetizaron electrodos mediante electrodeposición galvanostática en base al baño de níquel Watts, para generación de hidrógeno (HER) en medio alcalino de KOH 1 M. Se utilizó acero AISI 316L como sustrato con el objetivo de reemplazar el bulk por un material de menor costo y alta resistencia a la corrosión en un medio altamente alcalino. Se optimizó la síntesis de una capa de níquel strike a partir de un baño de cloruro de níquel altamente ácido, para mejorar la adherencia entre el sustrato y la capa de material catalítico. Se sintetizaron aleaciones de níquel-cobalto mediante la adición al baño de sulfato de cobalto (II), composites de níquel y dióxido de titanio por incorporación de nanopartículas de TiO2 4 P25, y finalmente, mediante la combinación de las técnicas anteriores, se obtuvieron materiales aleaciones-composites de níquel, cobalto y dióxido de titanio. Los electrodos se caracterizaron morfológicamente mediante microscopía de barrido electrónico (SEM), espectroscopía de dispersión de rayos X (EDS), microscopía confocal y microscopía Raman. Además, se realizaron caracterizaciones electroquímicas para la evaluación de la HER en KOH 1 M a través de voltametría cíclica (CV), cronoamperometría (o ensayos de envejecimiento) y experimentos de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). En función a las caracterizaciones indicadas se determinó que mediante un método sencillo y escalable como es la electrodeposición del recubrimiento de níquel, es posible obtener exitosamente diferentes materiales de electrodos como aleaciones y composites, que presentan densidades de corriente de desprendimiento de hidrógeno que superan en más de un orden de magnitud a las obtenidas para níquel Watts.
2024-08-31
Fil: Gómez, Melisa Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.
Materia
Electroquímica
Hidrógeno
Catalizadores
Electrodos
Níquel
Tecnología de materiales
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
Repositorio
Repositorio Digital Universitario (UNC)
Institución
Universidad Nacional de Córdoba
OAI Identificador
oai:rdu.unc.edu.ar:11086/28539

id RDUUNC_7ce3ba043deee106664f59d4a0aea502
oai_identifier_str oai:rdu.unc.edu.ar:11086/28539
network_acronym_str RDUUNC
repository_id_str 2572
network_name_str Repositorio Digital Universitario (UNC)
spelling Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinosGómez, Melisa JulietaElectroquímicaHidrógenoCatalizadoresElectrodosNíquelTecnología de materialesTesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2022Fil: Gómez, Melisa Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.Currently, the main source of energy comes from the consumption of fossil fuels, non-renewable resources and sources of greenhouse gas generation. Efforts to transition to a global economy based on other types of energy, such as renewable energies, are currently being made to reduce the use of fossil fuels. This imply facing challenges to reduce the costs of investments in equipment and production, and the coupling of systems to compensate for intermittencies in energy supply. In this context, the production of hydrogen as an energy vector becomes relevant, since it can be generated via electrolysis of water, functioning as a chemical energy storer, and its combustion generates only a harmless product, which is water. Electrochemical hydrogen production can be carried out using different equipment, where alkaline liquid electrolyzers (AEL) comprise the most mature and scalable technology for industrial production. These have the advantage of being able to use non-precious materials for the manufacture of components and electrodes. As electrodes, solid nickel plates are used for both cathodes and anodes, which, although they have good performance for hydrogen generation, are not sufficient to be competitive in the market. In addition, they present deactivation problems due to the formation of passivating surface compounds, and consequently, with a decrease in cycle life. Nickel can be synthesized by electrochemical deposition, commonly from the traditional Watts bath. The versatility of this technique allows modifying the composition of the electrolyte solution by incorporating transition metal salts or dispersed particles, to obtain nickel alloy coatings or composites, respectively. In this work, electrodes were synthesized by galvanostatic electrodeposition based on the nickel Watts bath, for hydrogen generation (HER) in 1 M KOH alkaline medium. AISI 316L steel was used as substrate with the aim of replacing the bulk with a lower cost material and high corrosion resistance in a highly alkaline medium. The synthesis of a nickel strike layer from a highly acidic nickel chloride bath was optimized to improve the adhesion between the substrate and the catalytic material layer. Nickel-cobalt alloys were synthesized by addition of cobalt (II) sulfate to the bath, nickel and titanium dioxide composites by incorporation of TiO2 P25 nanoparticles, and finally, by combining the above techniques, alloy-composite materials were obtained with nickel, cobalt and titanium dioxide. The electrodes were morphologically characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray scattering spectroscopy (EDS), confocal microscopy and Raman microscopy. In addition, electrochemical characterizations were performed for HER evaluation in KOH 1 M through 2 cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (or aging assays) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) experiments. Based on the characterizations indicated, it was determined that by means of a simple and scalable method such as electrodeposition of the nickel coating, it is possible to successfully obtain different electrode materials such as alloys and composites, which present current densities for HER that exceed by more than an order of magnitude those obtained for nickel Watts.En la actualidad la principal fuente de energía proviene del consumo de combustibles fósiles, recursos no renovables y fuentes de generación de gases de efecto invernadero. Los esfuerzos En la actualidad la principal fuente de energía proviene del consumo de combustibles fósiles, recursos no renovables y fuentes de generación de gases de efecto invernadero. Los esfuerzos para realizar la transición hacia una economía global basada en otros tipos de energía, como las renovables, implican afrontar desafíos para disminuir los costos de inversiones en equipamiento y de producción, y el acople de sistemas para compensar las intermitencias en el suministro energético. En este contexto, cobra relevancia la producción de hidrógeno como vector energético, ya que puede generarse vía electrólisis del agua, funcionando como un almacenador químico de energía, y su combustión genera sólo un producto inocuo que es el agua. La producción de hidrógeno electroquímico se puede realizar empleando diversos equipos, donde los electrolizadores líquidos alcalinos (AEL) comprenden la tecnología de mayor madurez y escalabilidad para volúmenes de producción industriales. Estos presentan la ventaja de poder utilizar materiales no nobles para la fabricación de los componentes y electrodos. Como electrodos, se utilizan planchas de níquel macizo tanto como cátodos como para ánodos, los cuales, si bien tienen buenos rendimientos para la generación de hidrógeno, no son suficientes para tener competitividad en el mercado. Además, presentan problemas de desactivación por formación de compuestos superficiales pasivantes, y consecuentemente, con disminución de la vida útil. El níquel se puede sintetizar mediante deposición electroquímica comúnmente a partir del tradicional baño de Watts. La versatilidad de esta técnica permite modificar la composición de la solución electrolítica mediante la incorporación de sales de metales de transición o partículas dispersas, para la obtención de recubrimientos de aleaciones de níquel o composites, respectivamente. En este trabajo se sintetizaron electrodos mediante electrodeposición galvanostática en base al baño de níquel Watts, para generación de hidrógeno (HER) en medio alcalino de KOH 1 M. Se utilizó acero AISI 316L como sustrato con el objetivo de reemplazar el bulk por un material de menor costo y alta resistencia a la corrosión en un medio altamente alcalino. Se optimizó la síntesis de una capa de níquel strike a partir de un baño de cloruro de níquel altamente ácido, para mejorar la adherencia entre el sustrato y la capa de material catalítico. Se sintetizaron aleaciones de níquel-cobalto mediante la adición al baño de sulfato de cobalto (II), composites de níquel y dióxido de titanio por incorporación de nanopartículas de TiO2 4 P25, y finalmente, mediante la combinación de las técnicas anteriores, se obtuvieron materiales aleaciones-composites de níquel, cobalto y dióxido de titanio. Los electrodos se caracterizaron morfológicamente mediante microscopía de barrido electrónico (SEM), espectroscopía de dispersión de rayos X (EDS), microscopía confocal y microscopía Raman. Además, se realizaron caracterizaciones electroquímicas para la evaluación de la HER en KOH 1 M a través de voltametría cíclica (CV), cronoamperometría (o ensayos de envejecimiento) y experimentos de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). En función a las caracterizaciones indicadas se determinó que mediante un método sencillo y escalable como es la electrodeposición del recubrimiento de níquel, es posible obtener exitosamente diferentes materiales de electrodos como aleaciones y composites, que presentan densidades de corriente de desprendimiento de hidrógeno que superan en más de un orden de magnitud a las obtenidas para níquel Watts.2024-08-31Fil: Gómez, Melisa Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.Lacconi, Gabriela InésLuque, Guillermina LeticiaFranceschini, Esteban AndrésOliveira, Rafael GustavoViva, Federico Andrés2022-09-01info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06info:ar-repo/semantics/tesisDoctoralapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/11086/28539spainfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositorio Digital Universitario (UNC)instname:Universidad Nacional de Córdobainstacron:UNC2025-09-04T12:33:49Zoai:rdu.unc.edu.ar:11086/28539Institucionalhttps://rdu.unc.edu.ar/Universidad públicaNo correspondehttp://rdu.unc.edu.ar/oai/snrdoca.unc@gmail.comArgentinaNo correspondeNo correspondeNo correspondeopendoar:25722025-09-04 12:33:49.597Repositorio Digital Universitario (UNC) - Universidad Nacional de Córdobafalse
dc.title.none.fl_str_mv Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
title Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
spellingShingle Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
Gómez, Melisa Julieta
Electroquímica
Hidrógeno
Catalizadores
Electrodos
Níquel
Tecnología de materiales
title_short Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
title_full Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
title_fullStr Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
title_full_unstemmed Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
title_sort Desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno de electrolizadores alcalinos
dc.creator.none.fl_str_mv Gómez, Melisa Julieta
author Gómez, Melisa Julieta
author_facet Gómez, Melisa Julieta
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Lacconi, Gabriela Inés
Luque, Guillermina Leticia
Franceschini, Esteban Andrés
Oliveira, Rafael Gustavo
Viva, Federico Andrés
dc.subject.none.fl_str_mv Electroquímica
Hidrógeno
Catalizadores
Electrodos
Níquel
Tecnología de materiales
topic Electroquímica
Hidrógeno
Catalizadores
Electrodos
Níquel
Tecnología de materiales
dc.description.none.fl_txt_mv Tesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2022
Fil: Gómez, Melisa Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.
Currently, the main source of energy comes from the consumption of fossil fuels, non-renewable resources and sources of greenhouse gas generation. Efforts to transition to a global economy based on other types of energy, such as renewable energies, are currently being made to reduce the use of fossil fuels. This imply facing challenges to reduce the costs of investments in equipment and production, and the coupling of systems to compensate for intermittencies in energy supply. In this context, the production of hydrogen as an energy vector becomes relevant, since it can be generated via electrolysis of water, functioning as a chemical energy storer, and its combustion generates only a harmless product, which is water. Electrochemical hydrogen production can be carried out using different equipment, where alkaline liquid electrolyzers (AEL) comprise the most mature and scalable technology for industrial production. These have the advantage of being able to use non-precious materials for the manufacture of components and electrodes. As electrodes, solid nickel plates are used for both cathodes and anodes, which, although they have good performance for hydrogen generation, are not sufficient to be competitive in the market. In addition, they present deactivation problems due to the formation of passivating surface compounds, and consequently, with a decrease in cycle life. Nickel can be synthesized by electrochemical deposition, commonly from the traditional Watts bath. The versatility of this technique allows modifying the composition of the electrolyte solution by incorporating transition metal salts or dispersed particles, to obtain nickel alloy coatings or composites, respectively. In this work, electrodes were synthesized by galvanostatic electrodeposition based on the nickel Watts bath, for hydrogen generation (HER) in 1 M KOH alkaline medium. AISI 316L steel was used as substrate with the aim of replacing the bulk with a lower cost material and high corrosion resistance in a highly alkaline medium. The synthesis of a nickel strike layer from a highly acidic nickel chloride bath was optimized to improve the adhesion between the substrate and the catalytic material layer. Nickel-cobalt alloys were synthesized by addition of cobalt (II) sulfate to the bath, nickel and titanium dioxide composites by incorporation of TiO2 P25 nanoparticles, and finally, by combining the above techniques, alloy-composite materials were obtained with nickel, cobalt and titanium dioxide. The electrodes were morphologically characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray scattering spectroscopy (EDS), confocal microscopy and Raman microscopy. In addition, electrochemical characterizations were performed for HER evaluation in KOH 1 M through 2 cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (or aging assays) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) experiments. Based on the characterizations indicated, it was determined that by means of a simple and scalable method such as electrodeposition of the nickel coating, it is possible to successfully obtain different electrode materials such as alloys and composites, which present current densities for HER that exceed by more than an order of magnitude those obtained for nickel Watts.
En la actualidad la principal fuente de energía proviene del consumo de combustibles fósiles, recursos no renovables y fuentes de generación de gases de efecto invernadero. Los esfuerzos En la actualidad la principal fuente de energía proviene del consumo de combustibles fósiles, recursos no renovables y fuentes de generación de gases de efecto invernadero. Los esfuerzos para realizar la transición hacia una economía global basada en otros tipos de energía, como las renovables, implican afrontar desafíos para disminuir los costos de inversiones en equipamiento y de producción, y el acople de sistemas para compensar las intermitencias en el suministro energético. En este contexto, cobra relevancia la producción de hidrógeno como vector energético, ya que puede generarse vía electrólisis del agua, funcionando como un almacenador químico de energía, y su combustión genera sólo un producto inocuo que es el agua. La producción de hidrógeno electroquímico se puede realizar empleando diversos equipos, donde los electrolizadores líquidos alcalinos (AEL) comprenden la tecnología de mayor madurez y escalabilidad para volúmenes de producción industriales. Estos presentan la ventaja de poder utilizar materiales no nobles para la fabricación de los componentes y electrodos. Como electrodos, se utilizan planchas de níquel macizo tanto como cátodos como para ánodos, los cuales, si bien tienen buenos rendimientos para la generación de hidrógeno, no son suficientes para tener competitividad en el mercado. Además, presentan problemas de desactivación por formación de compuestos superficiales pasivantes, y consecuentemente, con disminución de la vida útil. El níquel se puede sintetizar mediante deposición electroquímica comúnmente a partir del tradicional baño de Watts. La versatilidad de esta técnica permite modificar la composición de la solución electrolítica mediante la incorporación de sales de metales de transición o partículas dispersas, para la obtención de recubrimientos de aleaciones de níquel o composites, respectivamente. En este trabajo se sintetizaron electrodos mediante electrodeposición galvanostática en base al baño de níquel Watts, para generación de hidrógeno (HER) en medio alcalino de KOH 1 M. Se utilizó acero AISI 316L como sustrato con el objetivo de reemplazar el bulk por un material de menor costo y alta resistencia a la corrosión en un medio altamente alcalino. Se optimizó la síntesis de una capa de níquel strike a partir de un baño de cloruro de níquel altamente ácido, para mejorar la adherencia entre el sustrato y la capa de material catalítico. Se sintetizaron aleaciones de níquel-cobalto mediante la adición al baño de sulfato de cobalto (II), composites de níquel y dióxido de titanio por incorporación de nanopartículas de TiO2 4 P25, y finalmente, mediante la combinación de las técnicas anteriores, se obtuvieron materiales aleaciones-composites de níquel, cobalto y dióxido de titanio. Los electrodos se caracterizaron morfológicamente mediante microscopía de barrido electrónico (SEM), espectroscopía de dispersión de rayos X (EDS), microscopía confocal y microscopía Raman. Además, se realizaron caracterizaciones electroquímicas para la evaluación de la HER en KOH 1 M a través de voltametría cíclica (CV), cronoamperometría (o ensayos de envejecimiento) y experimentos de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). En función a las caracterizaciones indicadas se determinó que mediante un método sencillo y escalable como es la electrodeposición del recubrimiento de níquel, es posible obtener exitosamente diferentes materiales de electrodos como aleaciones y composites, que presentan densidades de corriente de desprendimiento de hidrógeno que superan en más de un orden de magnitud a las obtenidas para níquel Watts.
2024-08-31
Fil: Gómez, Melisa Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.
description Tesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2022
publishDate 2022
dc.date.none.fl_str_mv 2022-09-01
dc.type.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
info:ar-repo/semantics/tesisDoctoral
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.none.fl_str_mv http://hdl.handle.net/11086/28539
url http://hdl.handle.net/11086/28539
dc.language.none.fl_str_mv spa
language spa
dc.rights.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositorio Digital Universitario (UNC)
instname:Universidad Nacional de Córdoba
instacron:UNC
reponame_str Repositorio Digital Universitario (UNC)
collection Repositorio Digital Universitario (UNC)
instname_str Universidad Nacional de Córdoba
instacron_str UNC
institution UNC
repository.name.fl_str_mv Repositorio Digital Universitario (UNC) - Universidad Nacional de Córdoba
repository.mail.fl_str_mv oca.unc@gmail.com
_version_ 1842349667695722496
score 13.13397