Achieving OER Selectivity in the Electrolysis of Seawater through Shielded Carbon- Supported Iridium Nanoclusters - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Achieving OER Selectivity in the Electrolysis of Seawater through Shielded Carbon- Supported Iridium Nanoclusters

Optimisation de la sélectivité anodique de lors de l'électrolyse de l'eau de mer grâce à des nanoclusters d'iridium enrobés et supportés sur carbone

Catherine Harvey
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1483328
  • IdRef : 280588488

Résumé

Achieving selectivity at the anode for oxygen evolution during the electrolysis of seawater is considered a critical challenge with a rendered exigency for the generation of permselective materials that transcend the selectivity permeability upper bound of state-of-the-art desalination membrane materials for the appreciable production of green hydrogen. Utilizing a rigid molecular sieving membrane material imparts an additional entropic diffusional selectivity devoid in polymeric desalination membranes limited to separation impartment by an enthalpic diffusional selectivity due to the inherent transient segmental motion among the constituent polymeric chains. A silica encapsulation of iridium nanoparticles interwoven on Vulcan carbon was thus achieved by means of a sol gel synthesis to arrest the species transport of the hydrated chloride ion. Thermogravimetric Analysis and Transmission Electron Microscopy confirmed complete coverage of the electrocatalytic material after five hours of reaction with a 34 nm thickness. Structural characterization with X-Ray Diffraction indicated pores around the amorphous silica clusters of 87 Å, well above the hydrated diameter of the chloride ion. Subsequent incorporation of the encapsulated electrocatalyst into an ink of Nafion and Vulcan carbon that was then drop-casted on a working glassy carbon electrode and probed through rotating disk linear scanning voltammetry showed evidence of a lack of electron transport from the silica encapsulated electrocatalytic nanoparticles within the film towards the working electrode. A direct diffusion of the chloride ion towards the electrode and for subsequent oxidation was also apparent. Another approach leveraging the intimate control of reticular synthesis to create a ZIF-8 nanosheet with a characteristic aperture diameter that imparts selective water permeability through size exclusion was thus exploited to arrest the species transport of the hydrated chloride ion within the electrocatalytic film, while moreover improving the conductivity of the material through a proposed dimensional confinement effect. Architectures of the nanosheets were designed to optimize their placement to selectively arrest the multiple transport pathways within the electrocatalytic film. The electrochemical analytical procedure was developed to increase its characteristic reproducibility of the trialed electrocatalytic films. A rotating ring disk working electrode further enabled the selective detection of the chloride ion and enabled the integrated approach with a 40:1 Zn/Ir ratio within the electrocatalytic film to show a lower efficiency for the chlorine evolution reaction when assayed at ascending millimolar concentrations of the chloride ion in the presence of a perchloric supporting electrolyte. Further consideration of the characteristic stability of the nanosheets within the film are proposed to render an electrocatalytic material with a penchant for selective oxygen evolution in the presence of the chloride ion even in the thermodynamically contentious acidic conditions. This advancement propels the utility of a ubiquitous seawater electrolyte for water electrolysis and the applicability of the hydrogen energy carrier as a sustainable solution to meet the critical needs of our increscent societies.
Atteindre la sélectivité à l'anode pour le dégagement d'oxygène pendant l'électrolyse de l'eau de mer est considéré comme un défi critique avec une exigence rendue pour la génération de matériaux permsélectifs qui transcendent la limite supérieure de perméabilité et de sélectivité des matériaux de membrane de dessalement pour une production appréciable d’hydrogène vert. L'utilisation d'un matériau de membrane de tamisage moléculaire rigide confère une sélectivité de diffusion entropique supplémentaire dépourvue dans les membranes de dessalement polymères, limitée à la séparation par une sélectivité de diffusion enthalpique due au mouvement segmentaire transitoire inhérent entre les chaînes polymères constitutives. Une encapsulation en silice de nanoparticules d'iridium entrelacées sur du carbone Vulcan a ainsi été réalisée au moyen d'une synthèse sol gel pour arrêter le transport d'espèces de l'ion chlorure hydraté. L'analyse thermogravimétrique et la microscopie électronique à transmission ont confirmé une couverture complète du matériau électrocatalytique après cinq heures de réaction avec une épaisseur de 34 nm. La caractérisation structurale par diffraction des rayons X a indiqué des pores autour des amas de silice amorphe de 87 Å, bien au-dessus du diamètre hydraté de l'ion chlorure. L'incorporation ultérieure de l'électrocatalyseur encapsulé dans une encre de carbone Nafion et Vulcan qui a ensuite été coulée sur une électrode de carbone vitreuse et sondée par voltampérométrie à balayage linéaire à disque rotatif a montré des preuves d'un manque de transport d'électrons à partir des nanoparticules électrocatalytiques encapsulées dans la silice dans le film vers l’électrode de travail. Une diffusion directe de l'ion chlorure vers l'électrode pour une oxydation ultérieure était également apparente. Une autre approche tirant parti du contrôle intime de la synthèse réticulaire pour créer une nanofeuille ZIF-8 avec un diamètre d'ouverture caractéristique qui confère une perméabilité sélective à l'eau par exclusion de taille a donc été exploitée pour arrêter le transport d'espèces de l'ion chlorure hydraté dans le film électrocatalytique, tout en améliorant en outre la conductivité du matériau grâce à un effet de confinement dimensionnel proposé. Les architectures des nanofeuilles ont été conçues pour optimiser leur placement afin d'arrêter sélectivement les multiples voies de transport au sein du film électrocatalytique. La procédure analytique électrochimique a été développée pour augmenter la reproductibilité caractéristique des films électrocatalytiques testés. Une électrode de travail à disque annulaire rotatif a en outre permis la détection sélective de l'ion chlorure et a permis l'approche intégrée avec un rapport Zn/Ir de 40:1 dans le film électrocatalytique pour montrer une efficacité inférieure pour la réaction de dégagement de chlore lorsqu'elle est analysée à des concentrations millimolaires du ion chlorure en présence d’un électrolyte de support perchlorique. Un examen plus approfondi de la stabilité caractéristique des nanofeuilles à l'intérieur du film est proposé pour créer un matériau électrocatalytique ayant un penchant pour le dégagement sélectif d'oxygène en présence de l'ion chlorure, même dans des conditions acides thermodynamiquement controversées. Cette avancée renforce l’utilité d’un électrolyte d’eau de mer omniprésent pour l’électrolyse de l’eau et l’applicabilité du vecteur énergétique hydrogène en tant que solution durable pour répondre aux besoins critiques de nos sociétés croissantes.(Pardonnez-moi pour la traduction)

Domaines

Catalyse Matériaux
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Dates et versions

tel-04861167 , version 1 (02-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04861167 , version 1

Citer

Catherine Harvey. Achieving OER Selectivity in the Electrolysis of Seawater through Shielded Carbon- Supported Iridium Nanoclusters. Catalysis. Institut Polytechnique de Paris, 2024. English. ⟨NNT : 2024IPPAX030⟩. ⟨tel-04861167⟩
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