Preparation and characterization of Ni and Ni4Mo catalysts for the electrochemical production of hydrogen

Abstract

In Zeiten, in denen der weltweite Bedarf an erneuerbaren Energiespeichern steigt, bildet Wasserstoff eine vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen. Um eine Produktion im industriellen Maßstab zu ermöglichen, ist es notwendig, effiziente Katalysatoren für die Wasserelektrolyse in alkalischen Lösungen zu entwickeln. Diese Arbeit konzentriert sich darauf, teure Platinmetalle durch preiswerte Alternativen wie Ni und NiMo zu ersetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Ni und NiMo Dünnschichten mittels Magnetron Sputtering abgeschieden und dann morphologisch und elektrochemisch analysiert. Um die Performance zu optimieren und die Stabilität zu maximieren, wurden der Sputterdruck, die Schichtdicke und die Substrate variiert. Die Kernidee ist es, den Thornton Effekt auszunutzen, um säulenartiges Wachstum zu begünstigen und damit einhergehend hohe elektrochemisch aktive Oberflächen zu schaffen, während man eine günstige Herstellung und niedrige Beladung beibehält. Die elektrochemische Aktivität der Proben wurde mittels Cyclovoltammetrie und Elektrochemischer Impedanzspektroskopie in 1 M KOH bestimmt. Zur Bestimmung der Langzeitstabilität wurde Chronopotentiometrie verwendet. Die Ergebnisse bestätigen, dass ein höherer Sputterdruck bei Ni und NiMo zu besserer katalytischer Performance führen. Die höchste Aktivität konnte bei den 200 nm dicken Proben am Kohlenstofffilz erzielt werden, wobei die Ni-Probe, die mit 50 μbar abgeschieden wurde, eineÜberspannung von 122 mV bei 10 mA/cm^2 aufweist. Das NiMo Gegenstück, w elches bei 40 μbar hergestellt wurde, besitzt eine noch kleinere Überspannung von lediglich 110 mV. Die 50 nm dicken Schichten kombinieren eine niedrige Beladung von 44,5 μg/cm^2 für Ni beziehungsweise 46,8 μg/cm^2 für NiMo mit konsistenter Performance und weisen auch über die Langzeitmessungen eine hohe Stabilität auf. Im Vergleich zu Ni, zeigen die NiMo Schichten eine niedrigere Tafel-Steigung und kleinere Ladungsübertragungswiderstände in der Impedanz und bestätigen damit, dass Molybdän einen positiven synergistischen Effekt auf die Kinetik hat. Diese Arbeit zeigt das Potenzial auf, teure Materialien wie Platin durch billigere Metalle wie Ni und NiMo zu ersetzen. Das ist ein erster Schritt in Richtung grüne Energie. Um eine Umsetzung in kommerziellen Zellen zu gewährleisten, ist es notwendig, den Katalysator in Anionenaustauschmembransystemen zu testen.

As the global demand for sustainable energy solutions increases, green hydrogen has emerged as a promising alternative to fossil fuels. To enable its large-scale production through water electrolysis in alkaline media, efficient and economically viable electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) are critically needed.This work focuses on replacing platinum group metals with cost-effective alternatives such as Ni and NiMo.To achieve this goal, Ni and NiMo thin films were deposited by DC magnetron sputtering and then analysed morphologically and electrochemically. To optimise performance and guarantee stability, the Ar working pressure, film thickness and substrate type were varied. The central idea is to utilize the Thornton effect to promote columnar growth and generate a large surface area through a simple, cost-effective route with low catalyst loading. The electrochemical activity was assessed by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in 1 M KOH, while chronopotentiometry (CP) was used to evaluate long-term stability.The results confirmed that higher sputter pressure leads to better catalytic performance for both Ni and NiMo. The best activity was obtained with 200 nm films on a carbon sheet: the Ni sample sputtered at 50 μbar displayed an overpotential of 122 mV at 10 mA/cm^2 , while the NiMo counterpart prepared at 40 μbar required only 110 mV. Thin films of 50 nm thickness combined low catalyst loading of 44,5 μg/cm^2 for Ni and 46,8 μg/cm^2 for NiMo with durable performance, remaining stable during long-term measurements. Compared to Ni, NiMo films showed a flatter Tafel slope and lower charge transfer resistance in EIS, confirming that Mo improves HER kinetics through electronic synergy. This work demonstrates the potential to replace expensive materials like platinum with cheaper metals such as Ni and NiMo, which is a first step toward green energy. To guarantee an implementation in commercial cells it is necessary to test the catalyst in anion exchange membrane systems.