Probing the electronic properties of nickel oxide (NiO) as electrocatalyst for renewable and sustainable electrolytic hydrogen production

Innfasing av fornybar energi er essensielt i utviklingen av et bærekraftig og karbonnøytralt samfunn. Fornybar energi, som vind og solenergi, er av sterk periodisk karakter og høstes mest effektivt ved å ta i bruk effektive og dynamiske energilagringsteknologier. Hydrogen som lages ved alkalisk vannelektrolyse (AWE) representerer en slik form for energilagring. Den fluktuerende overskuddsenergien fra fornybar energi brukes til å lage hydrogen fra vann. Elektrisk energi lagres da som kjemisk energi i hydrogen. Hydrogen kan transporteres til sluttbrukeren og effektivt omdannes tilbake til elektrisk energi ved behov. Selv om alkalisk vannelektrolyse tilbyr karbonnøytral hydrogenproduksjon, så begrenses utbredelsen av relativt høye kostnader samt store overspenninger som følge av trege reaksjoner og høy motstand i elektrolytten. Spesielt er det et behov for å finne mer aktive elektrokatalysatorer for oksygenutviklings-reaksjonen (OUR), som på grunn av høy positiv elektrodespenning også legger sterke føringer for valg av elektrokatalysatormateriale. Prosjektet har fokusert på nikkel-baserte katalysatorer for oksygenutviklingsreaksjonen, og undersøkt effekten av jern på disse katalysatorene. Et viktig resultat av prosjektet er at jern tilsatt elektrolytten fører til høyere katalysator-aktivitet enn jern tilsatt under katalysatorsyntesen. Prosjektet har også undersøkt andre nikkel-baserte katalysatorer (Ni-Pt-Al) og som gir en ytelse sammenlignbar med den til katalysaorene i PEM-elektrolysører men under alkaliske forhold.

The project has resulted in novel, optimized catalysts and a deeper understanding of the role of iron in nickel-iron catalysts. These results will be utilized in subsequent projects pursuing energy-efficient catalysts for energy storage as hydrogen.

Clean renewable energy technologies are gaining ground in an effort to ensure energy security whilst reversing the harmful effects of current high-carbon content technologies. One such a technology, that has the potential of being a zero-carbon emitting technology, is alkaline water electrolysis (AWE) coupled to renewable energy supplies such as wind and solar. Wind and solar energy can therefore be captured and stored as hydrogen for re-use at a later stage. The hurdle that needs to be overcome, to enable this technology to become mainstream, is that the oxygen evolution reaction (OER) on the anode of the electrolyser needs to be enhanced. This is done by employing a suitable electrocatalyst. Expensive iridium-based electrocatalysts are currently employed, however, earth-abundant nickel oxide (NiO) and iron (Fe) doped NiO, show a lot of promise, and depending on the synthesis technique has been proven to outperform the iridium-based electrocatalyst. Understanding why this is the case, will allow us to design and develop even better electrocatalysts. Conducting, amongst other characterisation techniques, X-ray photo-electron spectroscopy (XPS) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) on differently prepared samples of NiO and Fe-doped NiO, will serve to elucidate the electronic structure and density of states as well as the resistance of the NiO samples respectively. By employing different synthesis techniques, different samples of NiO and Fe-doped NiO will be obtained that exhibit different degrees of activity towards the OER. By conducting both physical and electrochemical characterisation on these samples, the contribution of physical and electronic properties to activity are to be deconvoluted. Laboratory activity does not, however, directly translate into commercial scale activity. To that regard the best performing samples are to be tested on a pilot AWE facility that employs membraneless technology that is at the forefront of development.