Desenvolvimento de elétrodos inovadores para a produção de hidrogénio verde

Abstract

O aumento populacional e o desenvolvimento económico têm aumentado significativamente a procura energética. Os recursos convencionais (combustíveis fósseis) enfrentam graves problemas de esgotamento e têm vindo a ser procuradas novas alternativas. Este trabalho explora o processamento de elétrodos inovadores à base de fases MAX (Ti₂AlₓC) com o objetivo de facilitar e melhorar a produção de hidrogénio através da eletrólise da água em meio alcalino (NaOH). Neste âmbito, foram processados dois tipos de elétrodos (10 mm de diâmetro). O primeiro tipo de elétrodo consistiu na co-prensagem de Ni com incorporação de fases MAX (10% em peso das fases MAX) com diferentes teores de alumínio (x = 1.5, 3.5, 4); enquanto o segundo tipo consistiu na obtenção de elétrodos compósitos à base de ligas metálicas (Ni-Al) com as fases MAX (30% em peso). Os elétrodos foram electroquimicamente testados à temperatura ambiente durante 4 dias. Um teste à temperatura superior de 50 °C também foi realizado visando melhorar o desempenho eletrocatalítico. Estudos combinados de DRX e MEV/EDRX confirmaram a obtenção de fases MAX e, no caso dos elétrodos compósitos, a formação de ligas metálicas com as fases MAX. Os testes eletroquímicos consistiram em análises de voltametria cíclica (-0,3 a -1,5 V) e de cronoamperometria (-1,3 V), durante 4 dias. Os resultados obtidos para os elétrodos produzidos por co-prensagem comprovam que as fases MAX possuem uma maior atividade eletroquímica do que os elétrodos convencionais de Ni. Uma densidade de corrente de cerca de ~750 mA/cm² foi obtida na zona da evolução de hidrogénio com a composição de fase MAX (a partir de precursores Ti₂Al₃.₅C) por co-prensagem com Ni. No entanto, os elétrodos compósitos com ligas metálicas provaram ter um desempenho eletrocatalítico superior (~1500 mA/cm²). Para além disso, o elétrodo compósito (30% em peso das fases MAX) que sofreu ataque químico durante 4 dias na célula eletroquímica a 50 °C, demonstrou boa estabilidade mecânica após os testes e também o melhor desempenho eletroquímico (~1500 mA/cm²). De facto, a temperatura favorece o ataque químico das fases MAX com NaOH, assim evitando o uso do ácido tóxico HF para este fim. Este elétrodo mais promissor for reproduzido a uma escala superior (35 mm de diâmetro), para avaliar o efeito da escalabilidade. Concluiu-se que o elétrodo obtido não sofre degradação em condições de produção de hidrogénio, apresentando um aumento de desempenho de cerca de 20% em relação ao início do teste eletroquímico.

Population growth and economic development have significantly increased the demand for energy. Conventional resources (fossil fuels) face serious depletion issues, and new alternatives are being sought. This study explores the processing of innovative electrodes based on MAX phases (Ti₂AlₓC) with the aim of facilitating and improving hydrogen production through water electrolysis in an alkaline medium (NaOH). Within this scope, two types of electrodes (10 mm in diameter) were processed. The first type of electrode was processed by the co-pressing of Ni with the incorporation of MAX phases (10 wt% of MAX phases) with different aluminum contents (x = 1.5, 3.5, 4), while the fabrication of the second-type electrode involved the fabrication of composite electrodes based on metal alloys (Ni-Al) with MAX phases (30 wt%). The electrodes were electrochemically tested at room temperature for 4 days. A test at higher temperature of 50 ºC was also involved aiming to further improve the performance. Combined XRD and SEM/EDS studies confirmed the presence of MAX phases and, in the case of composite electrodes, the formation of metal alloys with MAX phases. Electrochemical tests consisted of cyclic voltammetry analysis (-0.3 to -1.5 V) and chronoamperometry (-1.3 V) for 4 days. The results obtained for the co-pressed electrodes demonstrate that MAX phases exhibit higher electrochemical activity than conventional Ni electrodes. A current density of approximately ~750 mA/cm² was achieved in the hydrogen evolution zone with the MAX phase composition (derived from Ti₂Al₃.₅C precursors) through co pressing with Ni. However, the composite electrodes with metal alloys proved to have superior electrocatalytic performance (~1500 mA/cm² ). Furthermore, the composite electrode (30 wt% of MAX phases) subjected to etching for 4 days in the electrochemical cell at 50 °C demonstrated good mechanical stability after testing and also the best electrochemical performance (~1500 mA/cm² ). In fact, the heating enhances the etching of MAX phases with NaOH, thus avoiding the necessity to use the toxic HF instead. This more promising electrode was reproduced at a larger scale (35 mm in diameter) to assess the related scalability effects. The produced electrode does not exhibit degradation under the conditions of hydrogen production, and even shows an increase in the performance of about 20% compared to the beginning of the electrochemical test.