Electrochemical Production of Transition Metal-Based Electrocatalysts for Hydrogen Production

Year 2022, , 206 - 215, 23.02.2022

Eren Ergen , Hüseyin Nazlıgül , Başak Doğru Mert

https://doi.org/10.47495/okufbed.1034230

Abstract

Energy demand increases with increasing population and industrial developments. Unfortunately, non-renewable sources are used to meet a large portion of the demand. As a result of the negative effects, researchers have begun to investigate renewable sources by working in a variety of fields in order to ensure the energy and humanity's long-term sustainability. Renewable energy sources are very important for the future of the world. In this regard, we can claim that the convenient solution is “hydrogen” which is as promising energy carrier.
In this study, alkaline electrolysis system was preferred due to the advantage of being easily integrated with renewable energy sources to meet the power requirements of the system. The platinum (Pt) and stainless steel (SS) electrodes were used as anodes. Graphite (G) and ternary transition metals (nickel, copper, cobalt) modified graphite (G/NiCoCu) electrodes were used as cathode. The modified electrodes were prepared by using galvanostatic method. The various operation voltages were applied that varied from 2,3V to 3V in order to realize water splitting reaction. The amount of produced hydrogen gas was increased with increasing operation voltage. According to the experimental results, at 3V for 15 minutes of electrolysis time, the produced H2 gas values were 15 mL, 11,13 mL and 13,12 mL for Pt - G (Cell-1), SS - G (Cell-2) and SS - G/ NiCoCu (Cell-3), respectively.

Keywords

Alkaline electrolysis, Hydrogen production, Renewable energy, Sustainable energy

Supporting Institution

Adana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi

Project Number

21303005

Thanks

The authors are thankful to Adana Alparslan Türkeş Science and Technology University Research fund for financial support (Project Number: 21303005).

Hidrojen Üretimi İçin Geçiş Metali İhtiva Eden Elektrokatalizörlerin Elektrokimyasal Üretimi

Abstract

Artan nüfus ve endüstriyel gelişmelerle birlikte enerji talebi de artmaktadır. Ne yazık ki, talebin büyük bir kısmını karşılamak için yenilenemeyen kaynaklar kullanılmaktadır. Olumsuz etkilerin bir sonucu olarak, araştırmacılar enerjinin ve insanlığın uzun vadeli sürdürülebilirliğini sağlamak için çeşitli alanlarda çalışarak yenilenebilir kaynakları araştırmaya başlamışlardır. Yenilenebilir enerji kaynakları dünyanın geleceği için çok önemlidir. Bu bağlamda, uygun çözümün gelecek vadeden bir enerji taşıyıcısı olan “hidrojen” olduğunu söyleyebiliriz.
Bu çalışmada, sistemin güç ihtiyacını karşılamak için yenilenebilir enerji kaynakları ile kolayca entegre edilebilme avantajından dolayı alkali elektroliz sistemi tercih edilmiştir. Anot olarak platin (Pt) ve paslanmaz çelik (SS) elektrotlar kullanıldı. Katot olarak grafit (G) ve üçlü (nikel, bakır, kobalt) geçiş metalleriyle modifiye edilmiş grafit (G/NiCoCu) elektrotlar kullanılmıştır. Modifiye elektrotlar, galvanostatik yöntem kullanılarak hazırlandı. Suyun ayrışma reaksiyonunu gerçekleştirmek için 2,3V ile 3V arasında değişen çeşitli çalışma potansiyelleri uygulandı. Artan uygulama potansiyeli ile üretilen hidrojen gazı (H2(g)) miktarı arttı. Deneysel sonuçlara göre, 3V'da 15 dakikalık elektroliz süresi boyunca üretilen H2(g) miktarları, Pt - G (Hücre-1), SS - G (Hücre-2) ve SS - G/ NiCoCu (Hücre-3) için sırasıyla 15 mL; 11,13 mL ve 13,12 mL’dir.

Keywords

Alkali elektroliz, Hidrojen üretimi, Yenilenebilir enerji, Sürdürülebilir Enerji

Project Number

21303005

References

• Ahn, S. H., Park, H. Y., Choi, I., Yoo, S. J., Hwang, S. J., Kim, H. J., Jang, J. H. Electrochemically fabricated NiCu alloy catalysts for hydrogen production in alkaline water electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy 2013; 38(31), 13493-13501.
• Andres, R. J., Gregg, J. S., Losey, L., Marland, G., Boden, T. A. Monthly, global emissions of carbon dioxide from fossil fuel consumption. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology (2011); 63(3), 309-327.
• Barbir, F., Veziroǧlu, T. N., Plass Jr, H. J. Environmental damage due to fossil fuels use. International journal of hydrogen energy 1990; 15(10), 739-749.
• Bekar, N. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Açısından Türkiye’nin Enerji Jeopolitiği. Türkiye Siyaset Bilimi Dergisi 2020; 3(1), 37-54.
• Çetin, S., Turan, E., Bayrakdar, E. Türkiye'nin Güneş Enerjisi Politikaları. Third Sector Social Economic Review 2019; 54(2), 949-968.
• Demirdelen, T., Ekinci, F., Mert, B. D., Karasu, İ., Tümay, M. Green touch for hydrogen production via alkaline electrolysis: The semi-flexible PV panels mounted wind turbine design, production and performance analysis. International Journal of Hydrogen Energy 2020; 45(18), 10680-10695.
• de Fátima Palhares, D. D. A., Vieira, L. G. M., Damasceno, J. J. R. Hydrogen production by a low-cost electrolyzer developed through the combination of alkaline water electrolysis and solar energy use. International Journal of Hydrogen Energy 2018; 43(9), 4265-4275.
• Greeley, J., Jaramillo, T. F., Bonde, J., Chorkendorff, I. B., Nørskov, J. K. Computational high-throughput screening of electrocatalytic materials for hydrogen evolution. Nature materials 2006; 5(11), 909-913.
• Güllü, M., Kartal, Z. Türkiye’nin Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının 2030 Yılına Kadar Tahmini. 19 Mayıs Sosyal Bilimler Dergisi 2021; 2(2), 288-313.
• Hanif, I., Raza, S. M. F., Gago-de-Santos, P., Abbas, Q. Fossil fuels, foreign direct investment, and economic growth have triggered CO2 emissions in emerging Asian economies: some empirical evidence. Energy 2019; 171, 493-501.
• Kardaş, G., Yazici, B., Erbil, M. Effect of some primary alcohols on hydrogen yield on platinum cathode in chloride solution. International Journal of Hydrogen Energy 2003; 28(11), 1213-1218.
• Kaya, M.F., Demir, N. Albawabiji S.M., Taş, M. Investigation of alkaline water electrolysis performance for different cost effective electrodes under magnetic field. International Journal of Hydrogen Energy 2017; 42, 17583-1759
• Kim, S. M., Jin, S. H., Lee, Y. J., Lee, M. H. Design of nickel electrodes by electrodeposition: effect of internal stress on hydrogen evolution reaction in alkaline solutions. Electrochimica Acta 2017; 252, 67-75.
• Koca, B. , Çelik G., Kardaş G., Yazici B. NiGa modified carbon-felt cathode for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy 2019; 44 (27) 14157-14163.
• Koç, A., Yağlı, H., Koç, Y., Uğurlu, İ. Dünyada ve Türkiye’de Enerji Görünümünün Genel Değerlendirilmesi. Mühendis ve Makine 2018; 59(692), 86-114.
• Kumar, M., Shetti, N. P. Magnetron sputter deposited NiCu alloy catalysts for production of hydrogen through electrolysis in alkaline water. Materials Science for Energy Technologies 2018; 1(2), 160-165.
• Martins, F., Felgueiras, C., Smitkova, M., Caetano, N. Analysis of fossil fuel energy consumption and environmental impacts in European countries. Energies 2019; 12(6), 964.
• Mert, M. E., Kardaş, G. Electrocatalytic behaviour of NiBi coatings for hydrogen evolution reaction in alkaline medium. Journal of alloys and compounds 2011; 509(37), 9190-9194.
• Shafiee, S., Topal, E. When will fossil fuel reserves be diminished?. Energy policy 2009; 37(1): 181-189.
• Solmaz, R., Döner, A., Kardaş, G. Electrochemical deposition and characterization of NiCu coatings as cathode materials for hydrogen evolution reaction. Electrochemistry communications 2008; 10(12), 1909-1911.
• Solmaz, R., Döner, A., Şahin, İ., Yüce, A. O., Kardaş, G., Yazıcı, B., & Erbil, M. The stability of NiCoZn electrocatalyst for hydrogen evolution activity in alkaline solution during long-term electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy 2009; 34(19), 7910-7918.
• Suermann, M., Schmidt, T. J., Büchi, F. N. Cell performance determining parameters in high pressure water electrolysis. Electrochimica Acta 2016; 211, 989-997.
• Sun, C., Xu, Q., Zou, X., Cheng, H., Lu, X. A new method to determine AgCl (1% mol)/Ag electrode potential versus the standard chloride electrode potential in a LiCl-KCl eutectic. Electrochemistry Communications 2021; 130, 107111.
• Şenel, M. C., Koç, E. Dünyada ve Türkiye’de Rüzgar Enerjisi Durumu-Genel değerlendirme. Mühendis ve Makine 2015; 56(663), 46-56.
• Waheed, R., Sarwar, S., Wei, C. The survey of economic growth, energy consumption and carbon emission. Energy Reports 2019; 5, 1103-1115.
• Yazici, B., Tatli, G., Galip, H., Erbil, M. Investigation of suitable cathodes for the production of hydrogen gas by electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy 1995; 20(12), 957-965.
• Yolcan, O. O. Köse, R. Türkiye’nin Güneş Enerjisi Durumu ve Güneş Enerjisi Santrali Kurulumunda Önemli Parametreler. Kırklareli Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi 2020; 6(2), 196-215.
• Yörük, Ö., Zıraman, D. U., Doğan, Ö. M., Uysal, B. Z. Çan Linyitinden Elektroliz Yöntemi ile Hidrojen Üretiminde Çeşitli Parametrelerin Etkisinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 2019; 7(4), 957-968.