English below

Wraz z rosnącym problemem środowiskowym i ryzykiem wyczerpywania się paliw kopalnych istnieje pilna potrzeba wydajnego, czystego i zrównoważonego źródła energii, a także nowej technologii związanej z konwersją i magazynowaniem energii. Jednym z najbardziej obiecujących podejść do rozwiązania tego problemu może być elektrochemiczny rozdział wody na wodór i tlen w celu wytworzenia energii. W wyniku zastosowania takiego źródła energii nie powstają toksyczne gazy, a jedynie energia i para wodna. Reakcja wydzielania wodoru (HER) i reakcja wydzielania tlenu (OER) to podstawowe reakcje tego procesu. Jednak komercyjnie stosowane elektrokatalizatory oparte są na szlachetnych metalach, o ograniczonych zasobach i drogich metalach (np. ruten, pallad czy iryd). Dlatego istnieje potrzeba opracowania nowych elektrokatalizatorów na bazie metali nieszlachetnych, które będą tańsze i będą miały lepsze właściwości elektrokatalityczne.

W ostatnich latach prowadzono intensywne prace nad znalezieniem bardziej zrównoważonego materiału, który mógłby zastąpić komercyjne elektrokatalizatory. Wiele
wysiłku włożono w badanie związków metali przejściowych ze względu na ich łatwo dostępność, niski koszt i dobrą przewodność elektryczną. Pomimo tego, że wykazują gorsze parametry elektrochemiczne mogą one podleć różnym modyfikacjom strukturalnym i chemicznym w celu wzmocnienia tych właściwości.

W ramach tego projektu podjęte zostaną zadania mające na celu przezwyciężenie wyżej wymienionych problemów. Po pierwsze, celuloza jako niedrogi i zrównoważony materiał zostanie wykorzystana do syntezy nanokryształów celulozy (CNC) i nanowłókien celulozy (CNF) w celu wytworzenia platformy o dużej powierzchni właściwej i zwiększonej kompatybilności elektrycznej do syntezy fosforku niklu (NiPx). NiPx jest doskonałym kandydatem do wykorzystania jako wydajne elektrokatalizatory. Jednak pomimo jej zalet, takich jak stabilność czy stosunkowo niska wartość nadpotencjału, który jest kluczowym parametrem decydującym o zdolności do elektrokatalitycznego rozkładu wody na tlen i wodór, konieczne jest przeprowadzenie szeregu modyfikacji poprawiających jej właściwości. W związku z tym zostanie podjętych kilka podejść: (i) włączenie dodatkowego metalu przejściowego (np. kobaltu, żelaza) w celu zwiększenia jego aktywności katalitycznej; (ii)
inżynieria strukturalna poprzez przygotowanie jednowymiarowych nanoprętów lub dwuwymiarowych nanoarkuszy w celu poprawy zdolności przenoszenia ładunku; (iii)
przygotowanie porowatego NiPx w celu poprawy przenoszenia masy/ładunku; (iv) włączenie anionów w celu zmniejszenia oporu przenoszenia ładunku; (v) odpowiednie przygotowanie matrycy w celu zwiększenia przewodności i dyspersji katalizatorów, które osadziły ich działanie. Wszystkie te modyfikacje pozwolą uzyskać wysoce aktywne katalizatory do elektrochemicznej reakcji wydzielania wodoru i reakcji wydzielania tlenu. Zastosowanie nanocelulozy jako platformy do syntezy wysokowydajnych elektrokatalizatorów oraz opracowanie zaawansowanych struktur wymaga jeszcze zbadania.


English:

With the environmental problem increase and the depletion risk of fossil fuels, there is an urgent need for an efficient, clean and sustainable source of energy, as well as new technology associated with energy conversion and storage. One of the most promising approach to overcome these issue may be the overall electrochemical water splitting to hydrogen and oxygen to produce energy. As a result of using such a power supply, no toxic gases are generated, only energy and water vapor. Hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) are basic reaction of this process. However, commercially used electrocatalyst are based on noble, low earth abundance and expensive metals (e.g. ruthenium, palladium iridium). Therefore there is a need to develop new electrocatalysts based on non-noble metals, which will be cheaper and possess improved electrocatalytic properties

.
In recent years intensive works have been conducted to find more sustainable material which could replace commercial electrocatalysts. Much effort have been devoted to investigate transition metal compounds due to their earth-abundance, low cost and good electrical conductivity. Despite that they shows lower electrochemical performance they are subject to structural modifications and structural tailoring to enhance these properties.

In this project, tasks will be undertaken to overcome the above-mentioned problems. First, cellulose as low price and sustainable material will be used to synthetize cellulose nanocrystals (CNC) and cellulose nanofibers (CNF) to produce a platform with a high specific surface area and with increased electrical compatibility for the synthesis of nickel phosphide (NiPx). NiPx is a great candidate to be used as efficient electrocatalysts. However, despite its advantages, such as stability or a relatively low value of the overpotential, which is a key parameter determining the ability to electrocatalytically decompose water into oxygen and hydrogen, it is necessary to carry out a number of modifications to improve its properties. Therefore, a few approaches will be taken: (i) incorporation of addition transition metal (e.g. cobalt, iron) to enhance its catalytic activity; (ii) structural engineering, by preparation of one-dimensional nanorods or two-dimensional nanosheets to improve charge transfer ability; (iii) preparation porous NiPx to improve mass/charge transfer; (iv) anion incorporation to reduce the charge transfer resistance; (v) appropriate matrix preparation to enhance the conductivity and dispersion of catalysts which embedded their performance. All of these modifications will allow to obtain highly active catalysts for electrochemical hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction. Application of nanocellulose as a platform for synthesis of highly efficient electrocatalysts as well as development of advanced structures of active materials yet still need to be explored.