Fabrication and characterization of cobalt molybdate-based electrocatalysts for electrochemical hydrogen production. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdullah Aamir_MSc Thesis (g202316010).pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

يُنظر إلى الهيدروجين بشكل متزايد على أنه حامل طاقة نظيف ومتعدد الاستخدامات، ويُعد التحليل الكهربائي للماء وسيلة مستدامة لإنتاجه عند تشغيله بمصادر الطاقة المتجددة. ومع ذلك، فإن الحركية البطيئة لتفاعل تطور الهيدروجين في الأوساط القلوية تستلزم تطوير محفزات كهربائية فعالة وعالية الأداء ومنخفضة التكلفة. في هذا العمل، نعرض تحضير محفز قوي وخالٍ من المواد الرابطة من موليبدات الكوبالت المطعمة بشكل مشترك بالحديد والفوسفور والمنمّاة مباشرة على رغوة النيكل، وذلك باستخدام استراتيجية تجمع بين المعالجة الحرارية المائية، والتبادل الأيوني، والفوسفرة. تُمكّن عملية المعالجة الحرارية المائية من تكوين مصفوفات من القضبان الدقيقة لموليبدات الكوبالت مصطفّة عموديًا وذات التصاق بيني قوي مع الركيزة الموصلة، مما يضمن انتقالًا فعالًا للشحنة واستقرارًا هيكليًا مرتفعًا. ومن بين المواد المحضّرة، أظهر القطب الأمثل (P-Fe-CMOD/NF_20) أداءً تحفيزيًا كهربائيًا متميزًا في محلول هيدروكسيد البوتاسيوم بتركيز 1.0 مولاري، حيث تطلب جهداً إضافياً منخفضاً مقداره 31 ملي فولت لتحقيق كثافة تيار قدرها 10 ملي أمبير لكل سنتيمتر مربع لتفاعل تطور الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، أظهر نشاطًا ممتازًا لتفاعل تطور الأكسجين بجهد إضافي مقداره 213 ملي فولت عند كثافة التيار نفسها، مما يؤكد طبيعته ثنائية الوظيفة. كما أظهر المحفز متانة ملحوظة، حيث حافظ على تشغيل مستقر لأكثر من 200 ساعة أثناء تفاعل تطور الهيدروجين ولأكثر من 150 ساعة أثناء تفاعل تطور الأكسجين عند كثافة تيار مرتفعة تبلغ 100 ملي أمبير لكل سنتيمتر مربع. وعلاوةً على ذلك، فإن محللًا كهربائيًا للماء القلوي جرى تجميعه باستخدام هذا القطب بوصفه كاثودًا وأنودًا في الوقت نفسه، يحقق كثافة تيار مقدارها 100 ملي أمبير لكل سنتيمتر مربع عند جهد خلية منخفض يبلغ 1.96 فولت، ويعمل بصورة مستمرة لأكثر من 465 ساعة مع تدهور ضئيل للغاية في الأداء. وتُظهر هذه النتائج أن هذا القطب يمكن استخدامه بوصفه محفزًا كهربائيًا فعالًا وعالي المتانة لتطبيقات التحليل الكهربائي العملي للماء القلوي.

English Abstract

Hydrogen is increasingly viewed as a clean and versatile energy carrier, and electrochemical water splitting offers a sustainable way to produce it when powered by renewable sources. However, the sluggish kinetics of the hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline media necessitate the development of cost-effective and high-performance electrocatalysts. In this work, we report the synthesis of a robust, binder-free Fe and P co-doped cobalt molybdate catalyst grown directly on nickel foam (P-Fe-CMOD/NF) via a combined hydrothermal, ion-exchange, and phosphorization strategy. The hydrothermal process facilitates the formation of vertically aligned CoMoO4 microrod arrays with strong interfacial adhesion to the conductive substrate, ensuring efficient charge transfer and structural stability. Among the synthesized materials, the optimized P-Fe-CMOD/NF_20 electrode exhibits outstanding electrocatalytic performance in 1.0 M KOH, requiring a low overpotential of 31 mV to achieve 10 mA cm-2 for HER. In addition, it demonstrates excellent oxygen evolution reaction (OER) activity with an overpotential of 213 mV at the same current density, confirming its bifunctional nature. The catalyst also shows remarkable durability, maintaining stable operation for over 200 h during HER and 150 h during OER at a high current density of 100 mA cm-2. Furthermore, an alkaline water electrolyzer assembled using P-Fe-CMOD/NF_20 as both cathode and anode delivers a current density of 100 mA cm-2 at a low cell voltage of 1.96 V and operates continuously for more than 465 h with negligible performance degradation. These results demonstrate that P-Fe-CMOD/NF_20 can be used as efficient and durable electrocatalyst for practical alkaline water splitting applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Chemical Engineering General Research Research > 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:	ABDULLAH AAMIR
Date Deposited:	10 Jun 2026 06:03
Last Modified:	10 Jun 2026 06:03
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144479