Model metal-oxide electrocatalysts for energy conversion

Abstract

Vývoj nových (elektro-)katalyzátorů je běžně založen na metodě pokus-omyl bez detailního porozumění katalytickým procesům v atomárním měřítku. Přestože je dosažení takového porozumění žádoucí, není jej u reálných katalyzátorů možné dosáhnout vzhledem k jejich strukturní a chemické složitosti a přítomnosti reakčního prostředí. Tato omezení lze překonat pomocí modelové katalýzy. V této práci aplikujeme základní aspekty modelové katalýzy na elektrochemické reakce pro dosažení detailního pochopení základních elektrokatalytických procesů na atomární úrovni různých katalyzátorů použitelných v energeticky relevantních reakcích. Studované modelové katalyzátory se skládají ze vzácných kovů (Pd, Pt) a redukovatelných oxidů (Co3O4, CeO2). Zkoumáme morfologické a chemické vlastnosti těchto systémů v UHV a reálném elektrochemickém prostředí kombinací metod povrchové fyziky a elektrochemických metod. Výsledky ukazují jasnou souvislost mezi strukturními vlastnostmi katalyzátorů a jejich stabilitou a výkonem v elektrochemickém prostředí. Získaná úroveň poznání umožňuje definovat klíčové parametry pro optimalizaci vlastností katalyzátorů, identifikovat adsorpční místa a popsat elementární kroky katalytických reakcí.

The development of novel (electro-)catalysts is commonly based on a trial-and-error approach without detailed understanding of the catalytic processes at the atomic scale. Reaching such understanding would be desirable, but, practically, it is not possible with real catalysts due to their structural and chemical complexity, and the presence of reaction environment. These limitations can be overcome following the model catalysis approach. In this thesis the elementary aspects of model catalysis are applied on electrochemical reactions to reach detailed understanding of fundamental electrocatalytic processes at the atomic level of various catalysts applicable in energetically relevant reactions. The studied model catalysts consist of rare metals (Pd, Pt) and reducible oxides (Co3O4, CeO2). The main focus lied on the study of morphological and chemical properties of these systems in ultrahigh vacuum (UHV) and electrochemical environment combining surface science and electrochemical methods. The results show a clear link between the structural properties of the catalysts and their stability and performance in the electrochemical environment. The obtained level of understanding allows us to define key parameters to optimize the catalyst properties, identify adsorption sites and describe the elementary steps of...