Application of multicomponent pentlandites as cathodic materials in the electrocatalytic water splitting process

Abstract

Praca doktorska dotyczy zastosowania wieloskładnikowych pentlandytów o ogólnym wzorze TM9Ch8 (gdzie, TM = Fe, Co, Ni; Ch = S, Se) jako materiałów katodowych w elektrokatalitycznym rozkładzie wody, stanowiącym kluczową technologię produkcji zielonego wodoru. Celem badań było opracowanie katalizatorów nie wymagających metali z grupy platynowców. Syntezowano serie cztero- i pięcioskładnikowych pentlandytów w formie proszków, spieków i wlewków, analizując ich strukturę, morfologię oraz aktywność w reakcji wydzielania wodoru (HER). Wyselekcjonowano optymalne składy chemiczne dla każdej formy elektrod, określono zakresy rozpuszczalności poszczególnych pierwiastków oraz ich rolę w stabilizacji struktury, aktywności katalitycznej i kinetyce reakcji. Wyniki umożliwiły wskazanie kompozycji łączących wysoką aktywność HER z trwałością mechaniczną i elektrochemiczną oraz sformułowanie zasad projektowania katalizatorów wolnych od metali szlachetnych do zrównoważonej produkcji wodoru.

This PhD thesis investigates multicomponent pentlandites with the general formula TM9Ch8 (where, TM = Fe, Co, Ni; Ch = S, Se) as cathodic materials for electrocatalytic water splitting, a key technology for hydrogen production. The aim was to develop catalysts free of platinum-group metals. Quaternary and quinary pentlandites were synthesized as powders, pellets, and ingots and comprehensively studied regarding structure, morphology, and hydrogen evolution reaction (HER) performance. Optimal chemical compositions for each electrode form were identified, solubility limits of individual elements were determined, and their roles in structural stabilization, catalytic activity, and reaction kinetics were established. The results enabled the selection of compositions combining high HER activity with mechanical and electrochemical durability and provided design principles for the next generation of noble-metal-free catalysts for sustainable hydrogen production via water electrolysis.