Studio dei meccanismi di reazione in elettrochimica: reazione di evoluzione di ossigeno su elettrodi di Ni e Ni/Fe

Green hydrogen is emerging as a fundamental solution for a more sustainable future. Currently, hydrogen production primarily relies on coal gasification, with green hydrogen, produced through water electrolysis using renewable energy, accounting for only about 4% of the total. This process is limited by the slow kinetics of the oxygen evolution reaction (OER) that occurs at the anode. This thesis focuses on the analysis of alternative catalysts for the OER, based on transition metal oxides that offer low cost and good stability in alkaline conditions. The study employs operando X-ray absorption spectroscopy (XAS) to investigate the mechanisms of the OER, initially examining perovskite electrocatalysts such as LaNiO3 and LaFeO3, before shifting attention to Ni and Fe-based catalysts (85:15 at.%) calcinated at different temperatures. All catalysts were synthesized using a simple and cost-effective co-precipitation method. Significant effort was dedicated to the design and construction of electrochemical cells suitable for XAS analysis. Three types of cells were developed: one for analyzing the electrocatalysts, another for studying Ni metallic surfaces in ReflEXAFS experiments, and a third for examining Ni mesh (Ni-E6) used in industrial applications. In the final part of the thesis, the catalysts were analyzed under industrial conditions, and DSA® electrodes were fabricated.

L'idrogeno verde sta emergendo come una soluzione fondamentale per un futuro più sostenibile. Attualmente, la produzione di idrogeno si basa principalmente sulla gassificazione del carbone, con l'idrogeno verde, ottenuto tramite elettrolisi dell'acqua utilizzando fonti rinnovabili, che rappresenta solo circa il 4% del totale. Questo processo è limitato dalla lenta cinetica della reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) che avviene all'anodo. Questo lavoro di tesi si concentra sull'analisi di catalizzatori alternativi per l'OER, a base di ossidi di metalli di transizione, che offrono un costo contenuto e una buona stabilità in condizioni alcaline. La tesi impiega la spettroscopia di assorbimento a raggi X operando (XAS) per studiare i meccanismi dell'OER, iniziando con catalizzatori elettrochimici perovskiti come LaNiO3 e LaFeO3, per poi spostare l'attenzione su catalizzatori a base di Ni e Fe (85:15 at.%) calcinati a diverse temperature. Tutti i catalizzatori sono stati sintetizzati utilizzando il metodo di co-precipitazione che risulta essere semplice, economico e di interesse industriale. Una parte significativa del lavoro è stata dedicata alla progettazione e costruzione di celle elettrochimiche adatte per l'analisi XAS. Sono state realizzate tre tipologie di celle: una per l'analisi degli elettrocatalizzatori, un'altra per studiare superfici metalliche di Ni negli esperimenti ReflEXAFS, e una terza per analizzare la rete di Ni (Ni-E6) utilizzata in applicazioni industriali. Nella parte conclusiva della tesi, i catalizzatori sono stati analizzati in condizioni industriali e sono stati prodotti elettrodi DSA®.