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)

Pridr. prof. dr. Nejc Hodnik je vodja Laboratorija za elektrokatalizo na Kemijskem inštitutu (KI), kjer vodi skupino več kot 30 raziskovalcev. Trenutno je vodja projekta ERC Starting Grant 123STABLE in je uspešno vodil številne nacionalne in mednarodne raziskovalne projekte, vključno z iniciativami NATO SPS na področju grafena in elektrolize morske vode, projektom ERA-MIN2 RedOxRec za reciklažo kovin iz skupine platine (PGM) ter več projekti v okviru sheme WEAVE. Dr. Hodnik trenutno vodi tudi dva industrijska doktorska projekta, ki ju financirata Johnson Matthey in EKPO, usmerjena v razvoj in testiranje naprednih katalizatorjev za PEM gorivne celice in PEM elektrolizerje, v sodelovanju z Univerzo v Ljubljani. Doktoriral je leta 2013 na Univerzi v Ljubljani, nato pa opravil podoktorsko izpopolnjevanje v okviru štipendije Marie Curie IEF na Inštitutu Max Planck za raziskave železa v Düsseldorfu v Nemčiji. Po vrnitvi v Slovenijo leta 2016 se je zaposlil na KI, kmalu zatem pa je bil imenovan za izrednega profesorja. Leta 2024 je prejel naziv pridruženega profesorja na Univerzi v Novi Gorici.
Objavil je več kot 120 znanstvenih člankov s strokovno recenzijo, je imetnik treh patentov ter še treh dodatnih patentnih prijav, njegov trenutni h-indeks znaša 39. Bil je (so)mentor več kot desetim doktorandom, med katerimi so nekateri ustanovili uspešna zagonska podjetja ali prevzeli vodilne vloge v akademskem in industrijskem okolju. Je tudi pogosto vabljeni predavatelj na pomembnih mednarodnih konferencah. Za svoje znanstvene dosežke in vpliv na inovacije je prejel več nagrad, med drugim tudi najvišje slovensko znanstveno priznanje, Puhovo nagrado (2024).
Dr. Hodnik je mednarodno priznan strokovnjak na področju elektrokatalize, zlasti pri razvoju in preučevanju stabilnosti nanostrukturiranih in masivnih elektrokatalizatorjev z uporabo naprednih tehnik, kot je elektronska mikroskopija na identični lokaciji (IL-EM). Je tudi predan mentor in močan zagovornik sodelovalnih, aplikativno usmerjenih raziskav, ki povezujejo akademske inovacije z industrijsko uporabo na področju čistega vodika in trajnostnih energetskih tehnologij.

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

Structure–Stability Relationships in Pt-Alloy Nanoparticles Using Identical-Location Four-Dimensional Scanning Transmission Electron Microscopy and Unsupervised Machine Learning, Ana Rebeka Kamšek ,Francisco Ruiz-Zepeda, Marjan Bele, Anja Logar, Goran Dražić, Nejc Hodnik, ACS Nano 2025, 19, 2, 2334–2344
IF 15.8

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