Electrocatalytic properties and applications of transition metal catalysts

Abstract

O rápido crescimento populacional e a industrialização têm contribuído para a poluição ambiental devido ao uso de combustíveis fósseis para produção de energia e na libertação de contaminantes nas águas, o que representa uma ameaça aos ecossistemas, causando efeitos tóxicos em organismos vivos. O hidrogénio verde produzido a partir da eletrólise eletroquímica da água, usando fontes de energia renovável, tem surgido como uma solução mais sustentável para o fornecimento global de energia, tendo o potencial de promover a obtenção dos objetivos da neutralidade de carbono, por descarbonização em áreas como o transporte e as indústrias. Além disso, os sensores eletroquímicos têm sido reconhecidos como ferramentas cruciais para monitorizar informações químicas abrangentes, em particular na deteção de analitos perigosos e contaminantes residuais nas águas, como compostos fenólicos. De forma a obter tecnologias de alto desempenho, estas aplicações eletroquímicas requerem eletrocatalisadores mais eficientes e económicos. Esta tese foca por isso no desenvolvimento de materiais avançados com excelente atividade catalítica, com ênfase em fosforetos de metais de transição (FMTs). Vários materiais FMTs com diferentes morfologias, como nanofios e nanopartículas, foram sintetizados com sucesso e extensivamente caracterizados usando técnicas como microscopia eletrónica de varrimento (MEV), microscopia eletrónica de transmissão (MET), difração de raios X (DRX) e espectroscopia de fotoeletrões por raios X. Posteriormente, os materiais CoP-CoTe2 , Co-Ni-P/NF e CoNiP-Ir@CP foram investigados como materiais de elétrodo para a eletrólise da água. Os resultados demonstraram que tanto o CoP-CoTe2 como o Co-Ni-P/NF exibem um desempenho superior na eletrólise de água por membrana bipolar usando uma configuração de “polarização inversa” em comparação com a eletrólise de água por membrana de troca aniónica. Além disso, a configuração de “polarização direta” levou a um potencial menor através da redução da energia elétrica por meio da neutralização eletroquímica. O material CoNiP-Ir@CP, com reduzido teor de metal precioso, mostrou ser eficaz na eletrólise da água por membrana de troca de protões com excelente estabilidade. Além disso, CoNiP@rGO e xerogéis de carbono (CXs) foram investigados na deteção de compostos fenólicos. A interação sinérgica entre CoNiP e rGO facilitou a modulação da estrutura eletrónica, levando a um melhor desempenho catalítico do CoNiP@rGO, que resultou numa alta sensibilidade e baixo limite de deteção de Bisfenol A por parte do CoNiP@rGO. Além disso, os CXs mostraram propriedades texturais e químicas favoráveis para a deteção de hidroquinona, superando o rGO, tornando-os num excelente material de suporte para incorporar FMTs.

Rapid population growth and industrialization have contributed to environmental pollution trough either the use of fossil fuels for energy production and the release of contaminates into water bodies, posing threats to ecosystems and causing toxic effects in living organisms, including humans. Green hydrogen produced by electrochemical water electrolysis using renewable energy sources has emerged as an environmentally sustainable solution to global energy supply. It has the potential to decarbonize transportation and hard-to-abate industries, thereby contributing to the achievement of carbon neutrality. Additionally, electrochemical sensors have been recognized as crucial tools for monitoring comprehensive chemical information, particularly for detecting hazardous analytes and trace contaminants in water, such as phenolic compounds. Both of these electrochemical applications require high efficient and cost-effective electrocatalysts to enable high-performance technologies. Therefore, this thesis focuses on the development of advanced materials with excellent catalytic activity as alternative electrocatalysts to conventional ones, with a specific emphasis on transition metal phosphides (TMPs). Various TMP materials with different morphologies, such as nanowires and nanoparticles, were successfully synthesized and extensively characterized using techniques such as scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Subsequently, the home-made CoP-CoTe2 , Co-Ni-P/NF and CoNiP Ir@CP materials were investigated as electrode materials for electrochemical water splitting. The results demonstrated that both CoP-CoTe2 and Co-Ni-P/NF exhibit superior performance in bipolar membrane water electrolysis (BPMWE) compared to anion exchange membrane water electrolysis using a “reverse bias” configuration. Moreover, the “forward bias” configuration enabled significantly lower external bias due to reduced required electrical energy through electrochemical neutralization. The CoNiP-Ir@CP material, with reduced precious group metal (PGM) content exhibited significant potential for proton exchange membrane (PEM) electrolysis and excellent stability. Furthermore, CoNiP@rGO and carbon xerogles (CXs) were investigated for the detection of phenolic compounds. The synergetic interaction between CoNiP and rGO facilitated the modulation of the electronic structure, leading to enhanced catalytic performance of CoNiP@rGO. Consequently, CoNiP@rGO on a glassy carbon electrode showed a low limit of detection and high sensitivity for the detection of Bisphenol A. Moreover, CXs showed favorable textural and chemical properties for hydroquinone sensing, surpassing those of rGO, making them an excellent support material for incorporating TMPs.