DEVELOPMENT OF MESOPOROUS NANOSTRUCTURED CATALYSTS FOR HIGH EFFICIENCY HYDROGEN PRODUCTION FROM WATER. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PDF_CD_Thesis_last_report_.pdf - Accepted Version Download (10MB) | Preview

Arabic Abstract

من المعوقات الاساسيه التي تواجه انتاج الهيدروجين بكميات كبيرة عن طريق التحليل الكهربي للماء هي استخدام معدن البلاتين ((Pt ذو التكلفة العالية كعامل حفاز كهربي. كربيدات وفوسفيدات العناصر الانتقاليه ذات الخصائص التحفيزية الشبيهة بالبلاتين برزت كبدائل متوفرة وذات جدوي اقتصاديه مقارنة بالبلاتين. لكن معظم طرق التحضيرالمستخدمة لأنتاج هذه الحفازات الكهربيه أدت الي منتج ذو كتله ضخمة ومساحة سطح منخفضة بسبب تجمع وتكتل المعدن اثناء عمليه التكوين البلوري، والذي كبح من تطبيقها لتفاعل الهيدروجين التحفيزي. لهذة الاسباب طورنا بروتوكولات تحضير اصيله لتحسين انتشار المواقع النشطه علي دعامات كربونيه، وبرهنا امكانية استعمال تركيب عالي المسامية MIL-53 (اطار معدني عضوي) كقالب لتوجيه تكوين كربيد الموليبدينوم (Mo2C) ذو الانتشاريه عاليه واندغاميه علي الكربون المسامي. واستندت استراتيجية اخري علي طريقة التعقيد ( تكوين المعقد) حيث تم تكوين رابطه تناسقية بين الموليبدينوم و مجموعة الأوكسالات عند استخدام حمض الاوكساليك والتي ادت الي تعديل التجمع الذاتي للجزيئات البادئه وبالتالي التحكم بالتنوي والنمو لكربيد الموليبدينوم و فوسفيد الموليبدينوم علي انابيب الكربون النانوية (CNTs). بالاضافة لذلك اثبتنا نمو فوسفيد الكوبالت (CoP) الاجوف والمترابط علي دعامه من CNTs. وتم استخدام هيكسامثيلينتيترامين كعامل توجية تركيبي. واقترحت اليات نمو محتملة. هذه الطرق بسيطة مع امكانية تطبيقها علي نطاق واسع. وقد تم توصيف التركيب الكيمائي لهذه الحفازات بااستعمال التقنيات القياسية مثل انتقال وعاليه الدقة انتقال الالكترون الميكرسكوب(TEM/HRTEM) ، ميكروسكوب حقل انبعاث مسح الالكترون (FESEM)، أشعة الحيود السينية (XRD)، الاشعة السينية الضوئية الطيفية .(XPS) وقد تم تقييم امكانية الحفازات الكهربية المصنعة كأقطاب بتكلفة منخفضة لتحفز تفاعل تصاعد الهيدروجين (HER) في كلا من الاوساط الحمضية والقاعدية. وقد اثبت ان الجزئي ذو الحجم الاصغر مع حسن توزيعة، والتركيبات ذات الشكل الأجوف والمتشابك تضفي سمات حميدة مثل تحسين مساحة السطح الكهروكيميائية والنوعية، مقاومة انتقال الشحنة المنخفض، سرعة انتقال الشحنة البينية العالي و تحسن انتقال الكتلة لغرض التحليل الكهربي. ونتيجة لذلك القطب الذي يحتوي علي التركيبات المصنعة اظهرت اداء كهروتحفيزي ملحوظ، متفوقا علي معظم الحفازات الكهربية المنشورة حتي الان. وهذة النتائج تعطي قوة دفع جديدة لتصميم مواد قطبية خاليه من البلاتينيوم (Pt) مع نشاطيه عالية لأنتاج الهيدروجين علي مدي واسع ودائم بأستخدام التحليل الكهربي.

English Abstract

One of the main impediments facing the large-scale production of hydrogen (H2) via water electrolysis is the use of expensive platinum metal (Pt) as an electrocatalyst. Early transition metal carbides and phosphides with platinum-like catalytic behavior have emerged as economic and earth-abundant alternatives to Pt. However, most of the synthetic procedures employed to produce these catalysts have led to bulky and low surface area products due to the agglomeration and coalescence of the metal during crystallization, which restrains their application for catalytic H2 reaction. We, therefore, developed novel preparation protocols to improve the dispersion of the active sites on the carbon supports. We showed that highly porous frameworks of MIL-53, a metal organic framework, could be used as a template to guide the formation of highly dispersed molybdenum carbide (Mo2C) embedded within the mesoporous carbon. The other strategy was based on the complexation method. Molybdenum was coordinated with oxalate group using oxalic acid, which modified the self-assembling of molecular precursor and controlled the nucleation and growth of Mo2C and molybdenum phosphide (MoP) on CNTs. In addition, we demonstrated the growth of interconnected hollow scaffold of cobalt phosphide (CoP) on CNTs. Hexamethylenetetramine was used as a structure-directing agent. Plausible growth mechanisms were proposed. The methods are simple with the potential to scale-up. Composition were characterized using standard techniques, such as transmission and high-resolution transmission electron microscope, field emission scanning electron microscope, powder X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and so forth. The potential of as-prepared electrocatalysts was evaluated as low-cost electrodes for hydrogen evolution reaction (HER), both in acidic and basic electrolytes. It was demonstrated that smaller particle size with better dispersion, hollow and interconnected artifacts impart benign attributes, such as enhanced specific and electrochemically active surface area, low intrinsic charge transfer resistance, high interfacial charge transfer kinetics, and improved mass transport, to electrocatalysts. As a result, the electrode comprising as-synthesized compositions exhibited remarkable electrocatalytic performance, outperforming most of the electrocatalyst reported as yet. The findings offer fresh impetus to engineer Pt-free electrode materials with high activity for large scale and sustainable H2 production through electrolysis.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Siddiqui, Mohammad Nahid
Committee Co-Advisor:	Qamar, Mohammed
Committee Members:	ABULKIBASH, Abdullah and AL-ARFAJ, Abdulrahman A. and Chanbasha, Basheer
Depositing User:	ALAALDIN ADAM (g201203720)
Date Deposited:	12 Apr 2018 08:39
Last Modified:	31 Dec 2020 08:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140671