SUPERSONIC CLUSTER BEAM DEPOSITION OF NANOALLOYS AND BIMETALLIC NANOSTRUCTURES FOR ENHANCED OXYGEN EVOLUTION REACTION

Abstract

Per far sì che l’idrogeno, sintetizzato per via elettrochimica, rappresenti la migliore alternativa ai combustibili fossili, è necessario superare la lenta cinetica della reazione di evoluzione di ossigeno (OER) nella cella elettrochimica. La diffusione su larga scala di catalizzatori OER all’avanguardia, basati su nano-leghe, richiede la risoluzione di due principali questioni aperte: 1) l’ottimizzazione della loro morfologia, 2) il raggiungimento di una stabilità catalitica in condizioni operative industriali prolungate. Entrambi questi punti sono oggetto di studio di questa tesi, in cui elettrodi innovativi a base di nano-leghe di NiFe con morfologia controllabile vengono sintetizzati attraverso la tecnica “Supersonic Cluster Beam Deposition” e applicati come catalizzatori della OER in condizioni operative prolungate. Gli elettrodi vengono caratterizzati dal punto di vista chimico, fisico ed elettrochimico, mediante l’uso di diverse tecniche di spettroscopia e microscopia. La caratterizzazione elettrochimica è discussa in funzione della morfologia e densità di NiFe nel range 10 𝑛𝑔/𝑐𝑚2 – 30 𝜇𝑔/𝑐𝑚2. I dati sperimentali dimostrano una attività catalitica eccellente, mentre la morfologia dell’elettrodo viene ottimizzata minimizzando la densità di NiFe senza compromettere l’efficienza elettrochimica. Inoltre, una nuova procedura per stabilizzare la risposta catalitica in condizioni operative prolungate viene presentata e correlata alla trasformazione morfologica e chimica dell’elettrodo. Questi risultati rappresentano un passo cruciale verso la sintesi di catalizzatori di OER convenienti ai fini della diffusione industriale su larga scala. Nella caratterizzazione dei film di NiFe, la spettroscopia ottica svolge un ruolo cruciale. Un nuovo software viene interamente sviluppato e presentato in questa tesi, ideato per l’analisi quantitativa degli spettri ottici nel range UV-VIS-NIR ed applicato anche ad altri sistemi plasmonici a base di Au e Ag. In questo contesto, un metodo di fabbricazione avanzato (nanoimprinting lithography e dynamic templating combinato con liquid/solid interface growth) è impiegato per sintetizzare configurazioni periodiche di strutture cristalline di Au con considerevoli proprietà plasmoniche e ottiche. Lo studio di questi metodi di sintesi, la realizzazione di strutture plasmoniche specifiche e una approfondita caratterizzazione ottica rappresentano un avanzamento in molti settori applicativi, tra cui quello dei sensori e della nanoelettronica.