Electrochemical Fabrication of Cobalt-Based Electrocatalysts for Water Splitting Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSc. Thesis Book__g202392090.pdf Restricted to Repository staff only until 13 May 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

إن التزايد المستمر في الطلب العالمي على مصادر الطاقة النظيفة والمستدامة أدى إلى ظهور الحاجة إلى إيجاد بدائل فعالة للوقود الأحفوري، وذلك بسبب الآثار البيئية السلبية والانبعاثات الناتجة عن استخدامه. ويعد غاز الهيدروجين من أهم مصادر الطاقة الواعدة، خاصة عند إنتاجه بواسطة شطر الماء كهروكيميائياً، إلا أن كفاءة هذه العملية تعتمد بصورة أساسية على تطوير مواد متحفزة كهربائياً ذات كفاءة عالية وتكلفة منخفضة وثبات جيد أثناء التشغيل. هدفت هذه الدراسة إلى تحضير وتعديل مواد متحفزة معتمدة على عنصر الكوبالت على سطح رغوة النيكل، واستخدامها في شطر الماء القلوي لإنتاج الهيدروجين، وذلك من خلال استخدام طرق تحضير كهروكيميائية بسيطة وفعالة، بالإضافة إلى تحسين الخواص البينية للمواد المحضرة لرفع كفاءتها. في الجزء الأول من الدراسة، تم تحضير أقطاب خالية من المواد الرابطة من كبريتيد الكوبالت مباشرة على سطح رغوة النيكل المنشطة باستخدام طريقة الترسيب الجلفانوستاتيكي بخطوة واحدة. وقد أظهرت نتائج التوصيف التركيبية تكون طور نقي من كبريتيد الكوبالت ذو تركيب مسامي مترابط ساهم في زيادة المساحة السطحية الفعالة وتحسين انتقال الشحنات. كما بينت القياسات الكهروكيميائية أن القطب المحضر يمتلك نشاطاً ثنائياً ممتازاً، حيث بلغت قيمة الجهد الزائد لتفاعل تطور الهيدروجين ٣٧٫٥ ملي فولت، بينما بلغت قيمة الجهد الزائد لتفاعل تطور الأكسجين ٢٦٧٫٤ ملي فولت عند كثافة تيار مقدارها ١٠ ملي أمبير لكل سنتيمتر مربع. كذلك أظهر القطب ثباتاً عالياً لمدة ١٢٠ ساعة عند كثافة تيار مقدارها ٥٠ ملي أمبير لكل سنتيمتر مربع. وعند استخدام قطبين متماثلين من كبريتيد الكوبالت في خلية تحليل كهربائي ثنائية الأقطاب، احتاجت الخلية إلى جهد مقداره ١٫٦٦ فولت للوصول إلى كثافة تيار مقدارها ١٠ ملي أمبير لكل سنتيمتر مربع. وفي الجزء الثاني من الدراسة، تم ترسيب مولبيدات الكوبالت البلورية على سطح رغوة النيكل باستخدام الترسيب الكهروكيميائي، ثم جرى تعديل السطح بترسيب ثانوي للنيكل لتكوين واجهة بينية غير متجانسة بين النيكل ومولبيدات الكوبالت. وقد أظهرت النتائج أن القطب المحضر يمتلك كفاءة أعلى في تفاعل تطور الهيدروجين، مع تحسن واضح في حركية التفاعل، وزيادة في المساحة السطحية النشطة كهروكيميائياً، وانخفاض في مقاومة انتقال الشحنة، بالإضافة إلى ثبات ممتاز أثناء التشغيل طويل المدى. قد بيّنت نتائج هذه الدراسة أن التحكم في طرق التحضير الكهروكيميائي وتعديل الواجهات البينية يُسهمان بصورة فعّالة في تحسين أداء المحفزات الكهروكيميائية المعتمدة على الكوبالت، كما توفّر هذه الطرق مسارًا عمليًا وقابلًا للتوسع لتطوير أقطاب عالية الكفاءة لاستخدامها في شطر الماء القلوي وإنتاج الهيدروجين بوصفه مصدرًا نظيفًا ومستدامًا للطاقة

English Abstract

As global demand for sustainable clean energy continues to rise, hydrogen production via electrochemical water splitting has emerged as a promising alternative to fossil-fuel-based energy systems. However, the development of low-cost, efficient, and durable electrocatalysts remains critical for practical implementation. This thesis investigates the electrochemical fabrication and interfacial engineering of cobalt-based electrocatalysts on nickel foam for alkaline water splitting. Firstly, binder-free Co9S8 electrodes were directly grown on activated Ni foam via one-step galvanostatic electrodeposition. Structural characterization confirmed phase-pure Co9S8 with a porous interconnected architecture, while electrochemical evaluation revealed excellent bifunctional activity, delivering overpotentials of 37.5 mV for HER and 267.4 mV for OER at 10 mA cm-2, with stable operation for 120 h at 50 mA cm-2. A two-electrode Co9S8||Co9S8 electrolyzer required 1.66 V to achieve 10 mA cm-2. Secondly, crystalline CoMoO4 was electrodeposited on Ni foam and further modified through secondary Ni deposition to construct a Ni-CoMoO4 heterointerface. The optimized NCMO-10 electrode exhibited significantly enhanced HER kinetics, higher electrochemically active surface area, lower charge-transfer resistance, and excellent long-term durability. Overall, this work demonstrates that rational electrochemical fabrication and interface engineering provide scalable pathways for developing high-performance cobalt-based electrocatalysts for alkaline water splitting.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Qasem Drmosh,
Thesis Committee Members:	Mohamad Qamar, Abduljabar Al-sayoud,
Depositing User:	ABDULMALIK DAMILARE TIJANI (g202392090)
Date Deposited:	13 May 2026 10:17
Last Modified:	13 May 2026 10:17
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144259