Assessment of anion exchange membrane electrolyzers and fuel cells for green hydrogen production and conversion: from materials to device

The growing demand for sustainable and clean energy has positioned hydrogen as a key energy carrier for decarbonizing industrial and energy systems. This thesis investigates the development and optimization of anion exchange membrane (AEM) electrolyzers and fuel cells as transformative technologies for green hydrogen production and utilization. The primary focus is on the design, synthesis, characterization, and performance evaluation of platinum-group-metal-free (PGM-free) electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline media. In the first phase of the research, transition-metal-based electrocatalysts, including Ni and Fe, were synthesized using phthalocyanine precursors and carbon supports. Systematic pyrolysis treatments were employed to optimize active site structures and improve electrocatalytic activity. The study demonstrated that controlled pyrolysis conditions at 600–900°C significantly influenced the formation of active sites, resulting in enhanced HER and ORR performance. Advanced characterization techniques, such as Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy (XAS), provided detailed structural and chemical insights into the electrocatalysts. Building upon these findings, the second phase focused on sustainable approaches by utilizing renewable biomass waste, specifically litchi skins, as carbon precursors for electrocatalyst synthesis. Functionalization with transition metal phthalocyanines and subsequent pyrolysis produced high-performing electrocatalysts, demonstrating superior HER performance at higher temperatures (900°C) and ORR activity at lower temperatures (600°C). This innovative approach aligns with circular economy principles, converting agricultural waste into value-added materials while addressing environmental challenges. The thesis also explores the techno-economic implications of green hydrogen technologies, analyzing the feasibility of substituting natural gas with hydrogen in industrial applications. By integrating photovoltaic (PV) energy as an electricity source, strategies for reducing material and operational costs were proposed, emphasizing the importance of scaling up AEM electrolyzers and fuel cells. The comparative analysis of different hydrogen production methods highlights the potential of green hydrogen to mitigate environmental and geopolitical challenges associated with critical raw materials (CRMs) and fossil fuel dependency. Key outcomes of this research include the identification of active site structures critical for optimizing PGM-free electrocatalysts, the establishment of sustainable synthesis routes using biomass waste, and the demonstration of improved performance metrics for HER and ORR in alkaline conditions. The findings provide valuable insights into the design of cost-effective and durable electrocatalysts, contributing to the advancement of hydrogen energy technologies. Future research directions include further exploration of AEM electrolyzer and fuel cell durability, the development of CRM-free membranes and transport layers, and the integration of novel electrocatalyst architectures for enhanced efficiency. By addressing these challenges, this work lays the foundation for realizing a scalable and sustainable hydrogen economy, promoting global efforts to transition toward a low-carbon energy future.

La crescente domanda di energia sostenibile e pulita ha posizionato l'idrogeno come un vettore energetico chiave per la decarbonizzazione dei sistemi industriali ed energetici. Questa tesi indaga lo sviluppo e l'ottimizzazione di elettrolizzatori e celle a combustibile a membrana a scambio anionico (AEM) come tecnologie trasformative per la produzione e l'utilizzo di idrogeno verde. L'attenzione principale è rivolta alla progettazione, sintesi, caratterizzazione e valutazione delle prestazioni di elettrocatalizzatori privi di metalli del gruppo del platino (PGM-free) per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) e la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) in mezzi alcalini. Nella prima fase della ricerca, elettrocatalizzatori a base di metalli di transizione, inclusi Ni e Fe, sono stati sintetizzati utilizzando precursori di ftalocianina e supporti di carbonio. Sono stati impiegati trattamenti di pirolisi sistematici per ottimizzare le strutture dei siti attivi e migliorare l'attività elettrocatalitica. Lo studio ha dimostrato che condizioni di pirolisi controllate a 600–900°C influenzano significativamente la formazione di siti attivi, migliorando le prestazioni di HER e ORR. Tecniche di caratterizzazione avanzate, come la spettroscopia Raman, la diffrazione a raggi X (XRD), la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e la spettroscopia di assorbimento a raggi X (XAS) basata su sincrotroni, hanno fornito dettagliate informazioni strutturali e chimiche sugli elettrocatalizzatori. Basandosi su questi risultati, la seconda fase si è concentrata su approcci sostenibili utilizzando scarti di biomassa rinnovabile, in particolare bucce di litchi, come precursori di carbonio per la sintesi degli elettrocatalizzatori. La funzionalizzazione con ftalocianine di metalli di transizione e la successiva pirolisi hanno prodotto elettrocatalizzatori ad alte prestazioni, dimostrando superiori prestazioni di HER a temperature più elevate (900°C) e attività ORR a temperature più basse (600°C). Questo approccio innovativo si allinea ai principi dell'economia circolare, convertendo i rifiuti agricoli in materiali a valore aggiunto affrontando al contempo le sfide ambientali. La tesi esplora anche le implicazioni tecno-economiche delle tecnologie dell'idrogeno verde, analizzando la fattibilità della sostituzione del gas naturale con l'idrogeno nelle applicazioni industriali. Integrando l'energia fotovoltaica (PV) come fonte elettrica, sono state proposte strategie per ridurre i costi dei materiali e operativi, enfatizzando l'importanza di scalare elettrolizzatori e celle a combustibile AEM. L'analisi comparativa di diversi metodi di produzione di idrogeno evidenzia il potenziale dell'idrogeno verde per mitigare le sfide ambientali e geopolitiche associate ai materiali critici (CRM) e alla dipendenza dai combustibili fossili. I principali risultati di questa ricerca includono l'identificazione delle strutture dei siti attivi critici per l'ottimizzazione degli elettrocatalizzatori PGM-free, l'istituzione di percorsi di sintesi sostenibili utilizzando scarti di biomassa e la dimostrazione di metriche di prestazione migliorate per HER e ORR in condizioni alcaline. I risultati forniscono preziose intuizioni per la progettazione di elettrocatalizzatori economici e durevoli, contribuendo all'avanzamento delle tecnologie energetiche a idrogeno. Le direzioni future della ricerca includono l'esplorazione della durabilità degli elettrolizzatori e delle celle a combustibile AEM, lo sviluppo di membrane e strati di trasporto privi di CRM e l'integrazione di nuove architetture di elettrocatalizzatori per una maggiore efficienza. Affrontando queste sfide, questo lavoro pone le basi per realizzare un'economia dell'idrogeno scalabile e sostenibile, promuovendo gli sforzi globali verso una transizione energetica a basse emissioni di carbonio.