Understanding the hydrogen evolution reaction in alkaline water electrolysis through binding energies
Bachelor thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2998921Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for kjemi [1399]
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Hydrogen utvikles for å kunne brukes til energilagring i framtiden, og dette krever at produksjonen er energieffektiv og grønn fra systemer med lave kostnader av materialer med god tilgjengelighet. Dette kan være oppnåelig i alkalisk vann elektrolyse hvor uedle metaller kan brukes som katalysatorer, i motsetning til sure elektrolytter som krever metaller fra platinagruppen. Imidlertid er en treg hydrogenutviklingsreaksjon en ulempe i alkaliske elektrolytter, siden det til tross for mye forskning fortsatt ikke eksisterer noen grunnleggende forklaring på reaksjonens pH-avhengighet. I denne artikkelen, vil hydrogenbindingsteorien og bifunksjonell mekanisme presenteres som forklaringer på mekanismen under katalysen av hydrogenutviklingen, og det vil bli argumentert for hvordan disse teoriene kan forklare trenden med langsommere reaksjon i alkaliske medier. Hovedargumentet i hydrogenbindingsteorien er at katalysatoren binder hydrogenet sterkere om pH økes, hvilket resulterer i en tregere reaksjon. Årsaken til endringen i adsorpsjon er ukjent, men teorier basert på en endring i vannmolekylets orientering på elektroden vil bli diskutert. På den annen side er argumentene som underbygger den bifunksjonelle mekanismen basert på en observert økning i reaksjonsaktiviteten hvis katalysatoren har oksofile elementer. Imidlertid, vil det også bli diskutert motsigelser som antyder at ingen av disse teoriene alene kan være en tilstrekkelig forklaring på hydrogenutviklingsaktiviten. Dette indikerer at det er behov for å inkludere andre faktorer i tillegg til bindingsenergiene til mellomprodukter for å få en fullstendig beskrivelse av reaksjonsaktiviteten. Hydrogen is being developed as a possible energy storage for the future, which requires energy efficient and green production from systems of low cost and made of abundant materials. This may be achievable in alkaline water electrolysis where non-noble metals can be used as catalysts, contrary to acidic electrolytes that requires platinum group metals. However, a sluggish hydrogen evolution reaction(HER) remains a drawback in alkaline electrolytes, since there despite much research still exists no fundamental explanation of the reaction's pH dependence. Here, the hydrogen binding theory and bifunctional mechanism will be presented as possible descriptors of the catalysis of HER, and it will be discussed how these theories can explain the trend of slower reaction in alkaline media. The main argument in the hydrogen binding theory is that the catalyst binds the hydrogen stronger if the pH is increased, resulting in a slower reaction. The mechanisms behind the change in adsorption are unclear, but some theories based on a change in interfacial water orientation will be discussed. On the other hand, the arguments substantiating the bifunctional mechanism are based on an observed increase in the HER activity if oxhophilic sites are added to the catalyst. However, there will be discussed contradictions suggesting that neither of these theories alone can be a sufficient HER activity descriptor. This indicates that there is a need to include also other factors than the binding energies of intermediates to obtain a fully description of the HER activity.