Nanostrukturētu materiālu izmantošana trīsdimensiju niķeļa putu materiāliem kā elektrokatalizatori ūdens plaisāšanai

Fosilā kurināmā izsīkšana un pieaugošās bažas par enerģētikas un vides problēmām ir izraisījušas plašus pētījumus, lai izstrādātu alternatīvus enerģijas avotus.Elektroķīmiskā elektrolīzeūdens tiek uzskatīta par daudzsološu ūdeņraža degvielas ražošanas stratēģiju. Tomēr efektīvai ūdens krekingai ir nepieciešami efektīvi un izturīgi elektrokatalizatori, kas var paātrināt skābekļa ekstrakcijas reakcijas (OER) un ūdeņraža ekstrakcijas reakcijas (HER) kinētiku. Cēlmetālus saturoši katalizatori, piemēram, Pt un tā sakausējumi, RuO2 un IrO2, pašlaik ir visefektīvākie katalizatori OER un HER katalizēšanai. Tomēr cēlmetālu augstās izmaksas un trūkums ir kavējis to plašu pielietojumu un atjaunojamās enerģijas tehnoloģiju attīstību. Lai pārvarētu šos ierobežojumus, ir pieliktas ievērojamas pūles, lai izstrādātu un sintezētu nedārgmetālu elektrokatalizatorus, izmantojot zemi saturošus materiālus kā ekonomiskas alternatīvas OER un OERHER. Pārejas metālu oksīdi, sulfīdi, fosfīdi, oglekļa materiāli, selenīdi un jaukti metālu kompleksi ir plaši pētīti, un tie ir parādījuši daudzsološu OER un HER veiktspēju. Tomēr lielākajai daļai šo elektrokatalizatoru ir nepieciešams lielāks potenciāls nekā cēlmetālu katalizatoriem, un to stabilitātes uzlabošana joprojām ir ļoti svarīga. Tāpēc ir steidzami jāizstrādā zemu izmaksu un efektīva alternatīva elektrodu struktūra ar augstu aktivitāti un ilgtermiņa stabilitāti efektīvai ūdens sadalīšanai.

Elektroķīmisko lietojumu jomā, elektrodu sagatavošanai ir izmantotas divas galvenās stratēģijas. Pirmā un visplašāk izmantotā metode ietver katalizatoru izmantošanu pulverveida veidā. Parasti elektrodus konstruē, izmantojot elektroaktīvu materiālu, vadītspējas pastiprinātājus un līmvielas uz vadošām pamatnēm. Tomēr šī pieeja nav bez trūkumiem. Galvenais trūkums ir prasība pēc elektriski izolējošas saistvielas, kas samazina kontakta laukumu starp elektrolītu un katalizatoru. Tas var novest pie katalītiski aktīvo vietu bloķēšanas, kā rezultātā palielinās pretestība un samazinās elektrokatalītiskā veiktspēja. Turklāt elektrodi ir salīdzinoši nestabili, jo pievienotajam katalizatoram ir tendence atdalīties no vadošā substrāta pie liela strāvas blīvuma. Otra galvenā elektrodu sagatavošanas stratēģija ir tādu materiālu izmantošana uz cēlmetālu bāzes, kas tiek elektropārklāti tieši uz vadošās pamatnes, piemēram, niķeļa putas, vara folija, oglekļa audums vai papīrs, FTO, nerūsējošais tērauds un niķeļa folija. Tomēr šī pieeja nav bez ierobežojumiem. Ir grūti precīzi kontrolēt pieejamo telpu starp nogulsnētajiem aktīvajiem materiāliem, un tāpēc elektrodu veiktspēja samazinās, palielinoties plēves biezumam, jo ​​substrāts nav pieejams katalītiski aktīvajām vietām iekšpusē. Turklāt metodes sarežģītība un augstās izmaksas ievērojami kavē tās praktisko pielietošanu. Tāpēc izmaksu ziņā efektīvu ražošanas metožu izstrādetrīsdimensiju (3D) elektrodiir nepieciešama veiksmīgai elektroķīmiskai pielietošanai.

Jaunu trīsdimensiju metālisku materiālu ar porainām struktūrām un lielu īpatnējo virsmu izstrāde ir piesaistījusi ievērojamu uzmanību, jo tie spēj samazināt jonu difūzijas garumu un palielināt jonu un elektronisko vadītspēju. Tāpēc daudzsološs elektrokatalizatora projektēšanas virziens ir dažādu strukturālo izmēru apvienošana, lai izveidotu nanostrukturētu katalizatora nesēju kompozītu, kas nodrošina augstu vadītspēju, lielu virsmas laukumu un augstu stabilitāti.Niķeļa putas(NF), komerciāli pieejams un lēts materiāls, ir plaši izmantots kā substrāts un nesējs elektrodu materiāliem, pateicoties tā vēlamajai trīsdimensiju atvērtu poru struktūrai, augstajai elektrovadītspējai un lielai īpatnējai virsmas laukumam. Mikroporas un robaina plūsma kanāli NF nodrošina arī labu masas pārnesi un lielu virsmas laukumu uz laukuma vienību. Dažādi substrāti, tostarp dažādas metāla putas, sieti, folijas un audumi, ir izpētīti kā kolektori elektroķīmiskiem lietojumiem, piemēram, litija jonu akumulatoriem, superkondensatoriem, saules baterijām un ūdens sadalīšanai. Jo īpaši porainie NF ir piesaistījuši uzmanību to zemo izmaksu, elektriskās vadītspējas un lielā elektroaktīvās virsmas dēļ, kas ir ideāli piemērots katalizatoru iekraušanai un elektroķīmiski aktīvo vietu palielināšanai. Turklāt porainajiem NF ir priekšrocības, uzlabojot elektrolītu masu transportēšanu, padarot tos par piemērotiem kandidātiem lielas virsmas strāvas kolektoriem enerģijas lietojumos. Tieša aktīvo materiālu augšana uz niķeļa putām arī uzlabo katalizatora un substrāta kontaktu efektīvai elektronu pārnesei ūdens krekinga reakcijās. Lai gan superkondensatoru un akumulatoru elektrodi joprojām ir galvenie NF pielietojumi, jaunākie pētījumi liecina, ka uz šī materiāla nogulsnētajiem elektrodu materiāliem ir labāka OER aktivitāte nekā Ni folijām un tīkliem. Šos materiālus var uzklāt gan dabīgā veidā, gan dekorēt ar aktīviem materiāliem, un putas var izmantot gan kā kolektorus, gan atbalsta pamatnes. Tādējādi nanostrukturēta, ar zemi bagāta katalītiskā materiāla augšana uz NF substrātiem sola attīstīt progresīvus elektrodu materiālus enerģijas uzglabāšanas / pārveidošanas ierīcēm. Lai gan parasti ir pieejami ar zemi bagāti elektrokatalizatori, kas audzēti tieši uz niķeļa putām, trīsdimensiju elektrodi uz niķeļa putām OER un HER nav plaši pētīti, lai gan tie ir porainas hierarhiskas struktūras, kas ir zemas izmaksas un viegli izgatavojamas.