Synthesis and characterization of NiMo for efficient hydrogen production from water electrolysis

Abstract

NiMo-legeringer anses som svært aktive katalysatorer for Hydrogen Evolution Reaction (HER) i alkaliske elektrolytter. I denne studien blir den grunnleggende aktiviteten for HER av NiMo-legeringskatoder med sammenlignbare overflatearealer i alkalisk elektrolytt studert i detalj. To metoder for substratpreparering - den kjemiske etsingen med varierende tidsintervaller og den mekaniske poleringen utført av slipepapir i forskjellige størrelser på Ti-folier - har blitt brukt for å sammenligne deres effekt på den elektrokatalytiske ytelsen til materialet som studeres (NiMo-legeringskatoder) og identifisere den beste typen forbehandling som resulterer i dannelsen av den beste elektrokatalysatoren. Elektrodeponering av NiMo-legering ved -20 mA cm-2 og 15 minutter fra badløsningen inneholdende 79 g NiSO4 · 6H2O, 88 g Na3C6H5O7· 2H2O, og 44 g Na2MoO4 med den justerte pH til 10,5 med ammoniakkløsning ble påført for syntese av materialet under studien. Den elektrokatalytiske karakteriseringen av de syntetiserte NiMo-legeringene ble utført i 1 M KOH (pH = 14,7) media ved Linear Sweep Voltammetry (LSV) i et potensielt vindu på -1,35 til -0,90 V vs Hg/HgO og elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) kl. – 1 mA cm-2, – 10 mA cm-2 og – 1 V. Studiet av morfologi, sammensetning og struktur ble utført ved hjelp av skanningselektronmikroskopi (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS) og X -Strålediffraksjon (XRD). Den beste forbehandlingsmetoden viste seg å være den mekaniske poleringen, og derfor viste gruppen av NiMo-prøver med denne substratforbehandlingsmetoden den laveste Tafel-hellingen (80,7 mV des-1), den høyeste utvekslingsstrømtettheten ( - 2,45 mA cm-2), Volmer-Herovsky-mekanisme med Volmer-trinn som ratebestemmende trinn (RDS) for HER, sammensetningen av Ni(63,9 at%), Mo (16,3 at%) og O (19,8 at%), atomforholdet Ni:Mo som 3,9:1, fine agglomererte partikler som danner homogen dekning på Ti-substratet, og den laveste avsetningen sjonspotensial. Alle prøvene viste en intensitetstopp som tilsvarer ansiktssentrert kubisk NiMo(111) og resten av diffraksjonstoppene ble fullstendig matchet med diffraksjonsmønsteret til sekskantet Ti. Den mest effektive HER-kinetikken ble observert i NiMo avsatt på 4 s etset Ti-substratgruppe ved EIS-karakterisering ved -10 mA cm-2, med Rct på 6,61 Ω. Det ble også observert at den elektrokatalytiske ytelsen øker med økningen av etsetiden. Alle disse resultatene påpekte at substratbehandling kan ha en betydelig effekt på den generelle ytelsen til NiMo på Ti-substratelektroden. Ytterligere arbeid kan gjøres ved å bruke andre forbehandlingsmetoder som ultralydrensing og varmegløding, og ved å bruke flere undersøkelsesteknikker som røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), kronoamperometri (CA), og for å samle inn mer allsidige data om elektrokatalytisk ytelsen til NiMo for HER i alkaliske medier.

NiMo alloys are considered as highly active catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction (HER) in alkaline electrolytes. In this study, the fundamental activity for the HER of NiMo alloy cathodes with comparable surface areas in alkaline electrolyte are studied in detail. Two methods for substrate preparation – the chemical etching with varying time intervals and the mechanical polishing conducted by different-size grinding papers on Ti-foils – have been employed to compare their effect on the electrocatalytic performance of the material under study (NiMo alloy cathodes) and identify the best type of pre-treatment that results in the formation of the best electrocatalyst. The electrodeposition of NiMo alloy at -20 mA cm-2 and 15 min from the bath solution containing 79 g of NiSO4 · 6H2O, 88 g of Na3C6H5O7· 2H2O, and 44 g of Na2MoO4 with the adjusted pH to 10.5 by ammonia solution was applied for the synthesis of the material under the study. The electrocatalytic characterization of the synthesized NiMo alloys was performed in 1 M KOH (pH = 14.7) media by Linear Sweep Voltammetry (LSV) in a potential window of -1.35 to -0.90 V vs Hg/HgO and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) at – 1 mA cm-2, – 10 mA cm-2, and – 1 V. The study of morphology, composition, and structure was conducted by Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), and X-Ray Diffraction (XRD).The best pretreatment method was proved to be the mechanical polishing, and hence the group of NiMo samples with this substrate pretreatment method showed the lowest Tafel slope (80.7 mV dec-1), the highest exchange current density (- 2.45 mA cm-2), Volmer-Herovsky mechanism with Volmer step as Rate Determining Step (RDS) for HER, the composition of Ni(63.9 at%), Mo (16.3 at%), and O (19.8 at%), the atomic ratio of Ni:Mo as 3.9:1, fine agglomerated particles that form homogeneous coverage on the Ti substrate, and the lowest deposition potential. All samples demonstrated an intensity peak that corresponds to face-centered cubic NiMo(111) and the rest of the diffraction peaks were completely matched with the diffraction pattern of hexagonal Ti. The most effective HER kinetics was observed in the NiMo deposited on 4 s etched Ti substrate group by EIS characterization at -10 mA cm-2, with Rct of 6.61 Ω. Also, it was observed that the electrocatalytic performance increases with the increase of etching time. All these results pointed out that substrate treatment can have a significant effect on the overall performance of the NiMo on Ti substrate electrode. Further work may be done by an application of other pretreatment methods such as ultrasonic cleaning and heat annealing, and by applying more investigation techniques such as X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Chronoamperometry (CA), and to collect more versatile data about electrocatalytic performance of NiMo for HER in alkaline media.