Materiali za elektrokemijske naprave

Osnovni cilj predmeta je podati študentom teoretična in praktična znanja s področja elektrokemijskih pretvorbe in shranjevanja energije. Razumevanje elektrokemije je osnova za razumevanje elektrokatalize in baterij. Velik pomen bo na splosnem razumevanju nizkoogljicnih tehnologij v luci trajnostnega razvoja. Obravnavana snov je dopolnjena s številnimi praktičnimi primeri in ekskurzijo. Študentje v okviru predmeta pripravijo seminar na izbrani tematiki.
S pridobljenim znanjem bojo studentje imeli vpogled v trajnostne tehnologije prihodnosti. Korisno je tako za bazicne raziskave, inzinerje kot tudi za splosno izobrazbo.

/

• Osnove elektrokemije
• Osnove elektrokatalize
• Principi delovanja različnih tipov elektrokemičnih členov
• Delovanje gorivnih celic in elektrolizerjev s protonsko izmenjalno membrano
• Sinteza elektrokatalizatorjev
• Aktivnost, stabilnost in selektivnost elektrokatalizatorjev
• Materiali za elektrokemijske senzorje
• Temelji vodikove ekonomije
• Vozila in druge naprave na osnovih gorivnih celic
• Principi delovanja sodobnih baterijskih sistemov
• Praktična uporaba baterij in smernice za nadaljnji razvoj (prednosti in slabosti)
• Eksperimentalne tehnike za karakterizacijo materialov za pretvorbo in shranjevanje energije in njihove performance (potenciostat, elektronska mikroskopija, rendgenska praškovna difrakcija, ...)
• Predstavitev najpomembnejših svetovnih raziskovalnih skupin in industrije
• Predstavitev pomembnih svetovnih dosežkov in trendov v zadnjem obdobju
• Ogled laboratorijev na Kemijskem inštitutu

Znanje in razumevanje:
Študentje bodo spoznali principe in delovanje različnih elektrokemijskih sistemov za pretvorbo in shranjevanje energije.
Podrobno bodo razloženi fizikalni in kemični pojavi znotraj elektrokemijskih reaktorjih kot sta gorivna celica in baterija.
Študentje bodo spoznali kakšne materiale se uporablja za te namene. Znali bodo izbrati ustrezne karakterizacijske tehnike za poglobljen študij teh materialov in hkrati tudi izbrati prave materiale za sestavo naprav za pretvarjanje in shrabmo energije.
Naučili se bodo oceniti oziroma napovedati pravilne pogoje dela za določene načine uporabe teh naprav.
Pridobljeno znanje, jim bo služilo za delo v laboratorijih oziroma industijskih obratih.

Knjige: * Allen J. Bard et al., Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 3rd Edition, Wiley, 2022. Katalog E-gradivo * Vladimir S. Bagotsky, Fundamentals of Electrochemistry, 2nd Edition, Wiley, 2005. Katalog E-gradivo * W. Vielstich, A. Lamm, H. A. Gasteiger, »Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology, and Applications«, 4 volumes, J. Wiley & Sons, Chicester, 2003. E-gradivo * Ioannis Katsounaros and Marc Koper, Electrocatalysis for the Hydrogen Economy, Electrochemical Science for a Sustainable Society, Springer, 2017, pp 23–50

Članki: * Mark Debe, Electrocatalyst approaches and challenges for automotive fuel cells, Nature, 2012, 486, 43–51 https://doi.org/10.1038/nature11115 * Hubert A. Gasteiger et al., Activity benchmarks and requirements for Pt, Pt-alloy, and non-Pt oxygen reduction catalysts for PEMFCs, 2005, 56, 1–2, 10, 9-35 https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2004.06.021 E-gradivo * Vojislav R. Stamenkovic, Ben Fowler, Bongjin Simon Mun, Guofeng Wang, Philip N. Ross, Christopher A. Lucas, Nenad M. Marković, Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability, Science, 2007, 315, 5811,. 493-497 https://doi.org/10.1126/science.1135941 * Ioannis Katsounaros and Karl J. J. Mayrhofer et al., Oxygen Electrochemistry as a Cornerstone for Sustainable Energy Conversion: Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 102 – 121 https://doi.org/10.1002/anie.201306588 * Nejc Hodnik et al.,. Importance and challenges of electrochemical in situ liquid cell electron microscopy for energy conversion research. Accounts of chemical research. 2016, 49, iss. 9, 2015-2022 https://doi.org/10.1021/acs.accounts.6b00330 E-gradivo * Leonard Moriau and Nejc Hodnik et al., Resolving the nanoparticles' structure-property relationships at the atomic level: a study of Pt-based electrocatalysts, iScience 2021, 24, 102102 https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102102 E-gradivo * Gröger, O., Gasteiger, H.A., Email Author, Suchsland, J.-P., Review-Electromobility: Batteries or fuel cells?, Journal of the Electrochemical Society, 2015, 162, 14, A2605-A2622 https://doi.org/10.1149/2.0211514jes E-gradivo * Anja Lončar and Nejc Hodnik et al., Angewandte Chemie International Edition 2022, 61, 14, e202114437 https://doi.org/10.1002/anie.202114437 E-gradivo * Stefan Popović and Nejc Hodnik et al., Stability and Degradation Mechanisms of Copper‐Based Catalysts for Electrochemical CO2 Reduction, Angewandte Chemie International Edition 2020, 132, 35, 14844-14854 https://doi.org/10.1002/ange.202000617 * J-M Tarascon, Michel Armand, Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries, Nature. 2011, 414, 359–367 https://doi.org/10.1038/35104644

Ustni izpit. Projektna naloga (v pisni obliki, predstavitev in zagovor) (60/40)

Izr. prof. dr. Nejc Hodnik (h=15) je vodja skupine za Elektrokatalizo na Odseku za katalizo in reakcijsko inženirstvo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani. doktoriral na Fakulteti na kemijo in kemijsko inženirstvo Univerze v Ljubljani. Med doktoratom je bil kot mladi raziskovalec zaposlen na Kemijskem inštitutu pod vodstvom dr. Stanka Hočevarja, ki je vodil raziskave na temo gorivnih celic. Leta 2014 je, na podlagi individualne prestižne štipendije Marie-Curie (sedaj Marie Skłodowska-Curie), odšel na podoktorsko izobraževanje v Düsseldorf v Nemčiji na Institut Maxa-Plancka, njegov mentor je bil prof. dr. Karl Mayrhofer. Leta 2016 se je vrnil v Slovenijo in začel delovati na Odseku za katalizo in kemijsko inženirstvo Kemijskega inštituta. Med drugim je pridobil podoktorski projekt Javne agencije za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS) in leta 2017 je s štipendijo ARRS tri mesece deloval pri vodji ERC projekta v Italiji. Izkoristil pa je tudi komplementarni projekt ARRS po prvi prijavi na razpis ERC. Leta 2019 je bil imenovan za pridruženega izrednega profesorja na Univerzi v Novi Gorici, kjer deluje pri doktorskem programu Materiali (3. stopnja). Njegova bibliografija obsega 48 znanstvenih člankov v mednarodnih revijah, več kot 10 vabljenih predavanj na mednarodnih srečanjih ter en mednarodni patent in tri mednarodne patentne prijave. Leta 2019 je prejel projekt Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) za raziskovalce na začetku samostojne kariere (ERC Starting Grant).

Double passivation water based galvanic displacement method for reproducible gram scale production of high performance pt-alloy electrocatalysts,
Matija Gatalo, Marjan Bele, Francisco Ruiz‐Zepeda, Ervin Šest, Martin Šala, Ana Rebeka Kamšek, Nik Maselj, Timotej Galun, Nejc Hodnik, Miran Gaberšček,
Angewandte Chemie, 2019, vol. 58, 1-6,
IF 12,257

Atomically resolved anisotropic electrochemical shaping of nano-electrocatalyst,
Francisco Ruiz-Zepeda, Matija Gatalo, Andraž Pavlišič, Goran Dražić, Primož Jovanovič, Marjan Bele, Miran Gaberšček, Nejc Hodnik,
Nano Letters, 2019, 19, 8, 4919-4927,
IF 12,279

Methodology for Investigating Electrochemical Gas Evolution Reactions: Floating Electrode as a Means for Effective Gas Bubble Removal,
Primož Jovanovič, Kevin Stojanovski, Marjan Bele, Goran Dražić, Gorazd Koderman Podboršek, Luka Suhadolnik, Miran Gaberšček, Nejc Hodnik,
Analytical Chemistry, 2019, 91, 16, 10353-10356,,
IF 635

Electrochemical Dissolution of Iridium and Iridium Oxide Particles in Acidic Media: Transmission Electron Microscopy, Electrochemical Flow Cell Coupled to Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, and X-ray Absorption Spectroscopy Study,
Primož Jovanovič, Nejc Hodnik, Francisco Ruiz-Zepeda, Iztok Arčon, Barbara Jozinović, Milena Zorko, Marjan Bele, Martin Šala, Vid Simon Šelih, Samo Hočevar, Miran Gaberšček,,
Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 12837-- - 12846,
IF 14.695

Platinum recycling going green via induced surface potential alteration enabling fast and efficient dissolution,
Nejc Hodnik, Claudio Baldizzone, George Polymeros, Simon Geiger, Jan-Philipp Grote, Serhiy Cherevko, Andrea Mingers, Aleksandar Zeradjanin, Karl J. J. Mayrhofer,
Nature Communications, 2016, vol. 7, no. 13164, 1-6,
IF 11,878