Synthesis of Copper-Based Bimetallic Electrocatalyst for Efficient Water Splitting. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master Thesis) MS Thesis - Ayu Wahyuni.pdf Restricted to Repository staff only until 31 December 2025. Download (5MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الدراسة في تخليق وأداء المحفزات الكهربائية ثنائية المعدن القائمة على النحاس (CuCo وCuNi) لتقسيم المياه. تم تخليق كلا المحفزين باستخدام طريقة مائية سهلة. أكدت نتائج حيود الأشعة السينية (XRD) تكوين هيدروكسيدات مزدوجة الطبقة (LDH) وتحولها إلى أكاسيد معدنية ثنائية (CuO-Co3O4 وCuO-NiO) بعد عملية التلدين عند درجة حرارة 600 درجة مئوية. تم تعديل المحفزات بإضافة أكسيد الجرافين المخفض (HRG). تم توصيف جميع المحفزات باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM). تم تقييم الأداء على نوعين من الركائز، FTO وNF. أشارت النتائج إلى أن CuCo قدم أداءً أفضل بشكل عام مقارنة بـ CuNi. من بين المحفزات التي تم اختبارها على FTO، قدم CuCoOx/HRG أفضل أداء، حيث أظهر انخفاضًا كبيرًا في الجهود الزائدة (462 م.ف عند 10 م.أ/سم²) ومنحدرات Tafel (76 م.ف/عقد). أظهر CuCoOxHRG/FTO مساحة سطح نشطة كهروكيميائيًا (ECSA) أعلى بلغت 72.7 سم² ومعدل دوران مرتفع بلغ 0.317 ث⁻¹ عند -0.46 فولت (مقابل RHE). بينما قدم CuCo-LDH/HRG أفضل أداء على النيكل الرغوي، حيث سجل CuCo-LDH/HRG/NF جهود زائدة بلغت 275 م.ف عند 10 م.أ/سم² ومنحدر Tafel بلغ 56 م.ف/عقد ومساحة سطح نشطة كهروكيميائيًا (ECSA) بلغت 61.8 سم² ومعدل دوران بلغ 0.063 ث⁻¹ عند -0.27 فولت (مقابل (RHE). تؤكد هذه النتائج إمكانيات المحفزات الكهربائية ثنائية المعدن المعتمدة على النحاس لتقسيم المياه بكفاءة. كما تم استكشاف تفاعل أكسدة الهيدروكسي ميثيل فورفورال (HMFOR) كاستراتيجية لتحسين تقسيم المياه الكهربائي. يتميز HMFOR بميزة انخفاض الجهد التأكسدي مقارنة بتفاعل تطور الأكسجين (OER)، مما يساهم في تقليل استهلاك الطاقة وزيادة كفاءة إنتاج الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، يحول هذا التفاعل الهيدروكسي ميثيل فورفورال (HMF) إلى حمض الفوراندكاربوكسيليك (FDCA)، مما يوفر طريقًا مستدامًا لإنتاج المواد الكيميائية الحيوية، حيث يمكن أن يكون FDCA بديلاً محتملاً لحمض التيريفثاليك في البلاستيك. لأجل هذا الغرض، تم اختبار CuCo-LDH، وبالأخص المحفز CuCo-LDH على النيكل الرغوي (NF). تم تقييم المحفز في خلية كهروكيميائية من النوع H مفصولة بغشاء نفايون لضمان فصل المنتج بكفاءة. أظهر المحفز CuCo-LDH/NF أداءً كهروكيميائيًا فعالاً لأكسدة HMF في وسط قاعدي، مع انخفاض كبير في الجهد الأولي البالغ 1.34 فولت (مقابل RHE) وكثافة تيار أعلى مقارنة بـ OER. علاوة على ذلك، أظهرت طيف مقاومة نقل الشحنة الكهروكيميائية (EIS) انخفاضًا في مقاومة انتقال الشحنة لأكسدة HMF، مما يعزز أدائه التحفيزي. أكدت الدراسات الكهروكيميائية أيضًا كفاءة فارادية بلغت 96.82٪ وعائد FDCA بلغ 97.46٪، مما يشير إلى أكسدة انتقائية عالية لـ HMF. كما أظهر CuCo-LDH/NF ثباتًا ممتازًا على مدار عدة دورات، مع الحفاظ على تحويل عالي وعائد مرتفع. تؤكد هذه النتائج أن CuCo-LDH/NF يمثل محفزًا كهربائيًا واعدًا لتحويل HMF إلى FDCA بطريقة خضراء وقابلة للتوسيع وفعالة، مما يوفر بديلاً قابلاً للتطبيق للطرق الكيميائية التقليدية. الكلمات المفتاحية: CuCo-LDH، CuNi-LDH، محفز أكسيد ثنائي المعدن، تقسيم المياه الكهربائي، الهيدروجين الأخضر، HMFOR.

English Abstract

This study investigates the synthesis and performance of Cu-based bimetallic electrocatalysts (CuCo and CuNi) for water splitting. Both catalysts were synthesized using a facile hydrothermal method. X-ray diffraction (XRD) results confirmed the formation of layered double hydroxides (LDH) and their transformation to mixed bimetallic oxides (CuO-Co3O4 and CuO-NiO) after annealing at 600 °C. The catalysts were further modified with highly reduced graphene oxide (HRG). All catalysts were well-characterized using X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM). Performance evaluations were conducted on two substrates, FTO and NF. The results indicate that overall, CuCo exhibited better performance than CuNi. Among the catalysts tested on FTO, CuCoOx/HRG demonstrated the best performance, with significantly lower overpotentials (462 mV at 10 mA cm⁻²) and Tafel slopes (76 mV dec⁻¹). CuCoOxHRG/FTO showed a higher electrochemically active surface area (ECSA) of 72.7 cm² and a high turnover frequency of 0.317 s⁻¹ at -0.46 V (vs RHE). While on nickel foam, CuCo-LDH/HRG performed the best among other catalysts. CuCo-LDH/HRG/NF had an overpotential of 275 mV at 10 mA cm⁻², a Tafel slope of 56 mV dec⁻¹, an ECSA of 61.8 cm², and a turnover frequency of 0.063 s⁻¹ at -0.27 V (vs RHE). These findings highlight the potential of Cu-based bimetallic electrocatalysts for efficient water splitting. The electrochemical oxidation reaction of 5-hydroxymethylfurfural (HMFOR) has also been explored as a strategy to enhance electrochemical water splitting. A significant advantage of HMFOR lies in its lower oxidation potential compared to the oxygen evolution reaction (OER), which enables reduced energy consumption and enhances overall efficiency in hydrogen generation. Additionally, this reaction converts 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), presenting a sustainable route for producing bio-based chemicals, with FDCA being a potential replacement for terephthalic acid in plastics. For this purpose, CuCo-LDH, specifically the CuCo-LDH catalyst on nickel foam (NF), was tested. The catalyst was evaluated in an H-type electrochemical cell, separated by a Nafion membrane to ensure efficient product separation. As a result, the developed CuCo-LDH/NF catalyst demonstrated efficient electrochemical performance for HMF oxidation in alkaline media, with a significantly lower onset potential of 1.34 V (vs RHE) and higher current density than the OER. Furthermore, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) showed reduced charge transfer resistance for HMF oxidation, further enhancing its catalytic performance. These results confirm the ability of HMFOR to enhance electrochemical water splitting. Additionally, the electrochemical studies confirmed a Faradaic efficiency of 96.82% and an FDCA yield of 97.46%, indicating highly selective HMF oxidation. The CuCo-LDH/NF also exhibited excellent stability over multiple cycles, maintaining high conversion and yield. These results highlight CuCo-LDH/NF as a promising electrocatalyst for green, scalable, and efficient HMF-to-FDCA conversion, offering a viable alternative to conventional chemical methods. Keywords: CuCo-LDH, CuNi-LDH, bimetallic oxide catalyst, electrochemical water splitting, green hydrogen, HMFOR

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Tahir, Muhammad Nawaz
Committee Members:	Kandiel, Tarek Abdelsamad Abdelrahman and Khan, Majad
Depositing User:	AYU WAHYUNI (g202208340)
Date Deposited:	01 Jan 2025 06:19
Last Modified:	01 Jan 2025 06:19
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143207