Sintesi e caratterizzazione di elettrodi nanostrutturati per applicazioni elettrochimiche

"Water splitting" is the electrochemical technique proposed to produce high purity H2, with the aim to use it as an industrial raw material or as a fuel gas for domestic use. Therefore, it is of fundamental importance to develop efficient systems able to catalyze this process to produce a clean and sustainable energy for the future. This thesis explains the work and the results carried out during the research activity to synthesize and characterize nanostructured electrodes for electrochemical applications, with particular attention to Hydrogen Evolution Reaction in an alkaline media (HER). It is possible to carry out HER in both acidic and basic media, the former has been extensively studied in literature while the latter has proved to be much more complex and sufficiently advanced and performing catalysts have not yet been developed to exploit this reaction at an industrial level. First of all, it is necessary to develop effective synthesis methodologies to produce thin films with controlled surface structure and morphology, even at the nanometric level. Electrodeposition through "Dynamic Hydrogen Bubbles deposition" (DHBT) appears to be a winning strategy for achieving this goal. Films can be monometallic, alloys or compounds made up of metals and non-metals, making the technique very versatile. DHBT electrodeposited films will be characterized to understand the principles of the technique and the most important operative parameters to prepare films with the desired structure. In particular, it will be analyzed how the microstructure of the film changes with the variation of the metal salt used, the potential applied during the electrodeposition and the deposition time. Transition monometals have been deposited as first, then FePd binary alloy and finally nickel on whose surface amorphous MoS2 has been deposited. The catalytic performances for each of the samples vs. HER in a basic environment were also evaluated, and compared with some of the currently most interesting catalysts reported in literature.

La scissione elettrochimica dell'acqua, detta anche “Water splitting” è una tecnica proposta per produrre H2 con un'elevata purezza da poter utilizzare come materia prima industriale o come gas combustibile per uso domestico. È perciò di fondamentale importanza sviluppare sistemi efficienti per svolgere questo processo e produrre energia non inquinante e sostenibile per il futuro. All’interno di questa tesi è spiegato il lavoro effettuato durante l’attività di ricerca per sintetizzare e caratterizzare elettrodi nanostrutturati per applicazioni elettrochimiche, con particolare attenzione all’Hydrogen Evolution Reaction in ambiente alcalino (HER). È possibile svolgere HER sia in ambiente acido che basico, la prima è stata ampiamente studiata in letteratura mentre la seconda si è dimostrata molto più complessa e non sono ancora stati sviluppati catalizzatori sufficientemente avanzati e performanti per sfruttare questa reazione a livello industriale. Per prima cosa è necessario mettere a punto metodologie di sintesi efficaci per produrre film sottili con struttura superficiale e morfologia controllata, anche a livello nanometrico. L’elettrodeposizione tramite “Dynamic Hydrogen Bubbles deposition” (DHBT) appare una strategia vincente per riuscire in questo intento. I film possono essere monometallici, leghe o composti costituiti da metalli e non metalli, rendendo la tecnica molto versatile. Verranno caratterizzati film elettrodepositati tramite DHBT per comprendere i principi della tecnica e i parametri operativi più importanti per preparare film con la struttura voluta. In particolare, sarà analizzato come cambia la microstruttura del film al variare del sale metallico utilizzato, del potenziale applicato durante l’elettrodeposizione e del tempo di deposizione. Dapprima sono stati depositati monometalli di transizione, poi una lega binaria FePd e infine nickel alla cui superficie è stato depositato MoS2 amorfo. Sono state valutate anche le performance catalitiche per ciascuno dei campioni verso HER in ambiente basico, confrontando con alcuni dei catalizzatori attualmente più interessanti riportati in letteratura.