TECHNO-ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL IMPACT ASSESSMENTS OF ZEOLITIC-IMIDAZOLE FRAMEWORK-8 (ZIF-8) BASED ELECTRODES FOR ANION EXCHANGE MEMBRANE ELECTROLYSIS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis -V6.pdf Restricted to Repository staff only until 14 January 2027. Download (9MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة تطوير وأداء واستدامة الأقطاب القائمة على أطر الزيوليت إيميدازولات-8 (ZIF-8) لاستخدامها في التحليل الكهربائي للماء عبر غشاء تبادل الأنيونات (AEM). يمثل التحليل الكهربائي (AEM) مساراً واعداً لإنتاج الهيدروجين الأخضر بفعالية من حيث التكلفة، وذلك من خلال الجمع بين المزايا التشغيلية لأنظمة غشاء تبادل البروتون وتكاليف المواد المنخفضة للأنظمة القلوية. تركز هذه الدراسة على صناعة المركب (ZIF-8) عبر طريقة المذيبة الحرارية (solvothermal) وطريقة الترسيب المشترك (co-precipitation)، تليها عملية تلدين بالليزر لتصنيع مجموعات الأقطاب والأغشية (MEAs) على دعامات من النيكل والحديد. كشفت الاختبارات الكهروكيميائية أن الأقطاب المحضرة بالطريقة المذيبة الحرارية أظهرت أداءً متفوقاً، حيث حققت تياراً قدره 1.0 أمبير عند جهد خلية يبلغ 1.8 فولت، متفوقة بذلك بشكل كبير على العينات المحضرة بالترسيب المشترك. كما أظهرت اختبارات الاستقرار طويل الأمد متانة ممتازة على مدار 5 أيام، ويُعزى ذلك إلى إعادة الهيكلة السطحية الكهروكيميائية في الموقع لمركب (ZIF-8) الأولي وتحوله إلى أنواع أوكسي هيدروكسيد النيكل (NiOOH) النشطة. ولتقييم قابلية التوسع، تم إجراء تحليل تقني اقتصادي (TEA) لنموذج محطة انتاج الهيدروجين الأخضر بقدرة 1 ميجاواط، مما أسفر عن تكلفة مستوية أساسية للهيدروجين (LCOH) تبلغ 5.11 دولار لكل كيلوجرام. وقد حدد تحليل الحساسية سعر الكهرباء باعتباره العامل الرئيسي المؤثر في التكلفة، حيث يمثل أكثر من 93% من النفقات التشغيلية، في حين كانت تكاليف إنتاج الأقطاب ضئيلة نسبياً. وفي السياق ذاته، قام تقييم دورة الحياة (LCA) بحساب قدرة إحداث الاحتباس الحراري (GWP) بمقدار 53.80 كجم لكل كجم هيدروجين بناءً على مزيج الشبكة الكهربائية في المملكة العربية السعودية. وأوضح التقييم أن 99.6% من العبء البيئي ناتج عن استهلاك الكهرباء التشغيلي، بينما يساهم تصنيع أقطاب (ZIF-8) بنسبة تقل عن 0.3%. تؤكد هذه النتائج أن أقطاب (ZIF-8) الملدنة بالليزر تمثل تقنية رصينة فنياً ومجدية اقتصادياً، شريطة اقترانها بمصادر طاقة متجددة منخفضة الكربون لضمان الاستدامة البيئية.

English Abstract

This research focused on the preparation, electrochemical performance, and sustainability aspects of Zeolitic Imidazolate Framework-8 (ZIF-8)-derived electrodes, prepared for Anion Exchange Membrane (AEM) water electrolysis. AEM electrolysis has been recognized as a promising pathway toward cost-competitive green hydrogen due to its ability to combine the high-performance characteristics of membrane operation with the possibility of utilizing lower-cost, compatible alkaline materials. The ZIF-8 was prepared by both solvothermal and co-precipitation routes and subsequently laser-annealed to prepare membrane electrode assemblies (MEAs) on nickel and stainless steel substrates. Electrochemical characterization revealed that solvothermally prepared electrodes outperformed those produced by co-precipitation, achieving a current density of 1.0 A at a cell voltage of 1.8V. Additionally, durability testing demonstrated stable operation for over five days, and confirmed that the ZIF-8-derived precursors were transformed into catalytically active nickel oxyhydroxide (NiOOH) species during operation. In order to evaluate scale-up feasibility, a techno-economic analysis (TEA) was conducted for a 1MW AEM electrolysis plant, yielding a baseline levelized cost of hydrogen (LCOH) of $5.11 kg⁻¹ H₂. Results from the sensitivity analysis indicated that the cost of electricity is the largest contributor to overall costs, and that the cost of producing the catalysts contributed relatively little. The LCA, using the Saudi Arabian grid mix, estimated a GWP of 53.80 kg CO₂-eq kg⁻¹ H₂, with operational electricity usage accounting for approximately 99.6% of all impact values, and ZIF-8 electrode production representing less than 0.3%. Overall, the findings suggest that laser-annealed ZIF-8-derived electrodes are technologically feasible and economically competitive for AEM water electrolysis; however, achieving "low-carbon" hydrogen will require coupling the process with renewable or other low-emission electricity sources.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Engineering Chemical Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Shaukat, Mian M
Committee Co-Advisor:	Khan, Abuzar
Committee Members:	Shaukat, Mian M and Khan, Abuzar and Merah, Neçar
Depositing User:	RAMI AL NAJADA (g202391690)
Date Deposited:	18 Jan 2026 08:15
Last Modified:	18 Jan 2026 08:15
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144030