Използване на наноструктурирани материали върху триизмерни материали от никелова пяна като електрокатализатори за воден крекинг

Изчерпването на изкопаемите горива и нарастващата загриженост относно енергийните и екологичните проблеми доведоха до обширни изследователски усилия за разработване на алтернативни източници на енергия.Електрохимична електролизавода се счита за обещаваща стратегия за производство на водородно гориво. Ефективното водно крекиране обаче изисква ефективни и издръжливи електрокатализатори, които могат да ускорят кинетиката на реакцията на извличане на кислород (OER) и реакцията на извличане на водород (HER). Катализаторите, съдържащи благороден метал, като Pt и неговите сплави, RuO2 и IrO2, в момента са най-ефективните катализатори за катализиране на OER и HER. Въпреки това, високата цена и недостигът на благородни метали възпрепятстват тяхното широкомащабно приложение и развитието на технологии за възобновяема енергия. За да се преодолеят тези ограничения, бяха положени значителни усилия за проектиране и синтезиране на електрокатализатори от неблагородни метали, като се използват изобилни от земята материали като икономични алтернативи на OER и OERHER. Оксидите на преходните метали, сулфидите, фосфидите, въглеродните материали, селенидите и смесените метални комплекси са обстойно проучени и са показали обещаващо представяне за OER и HER. Повечето от тези електрокатализатори обаче изискват по-високи свръхпотенциали от катализаторите на базата на благородни метали и подобряването на тяхната стабилност остава от решаващо значение. Следователно има спешна нужда от разработване на евтина и ефективна алтернативна електродна структура с висока активност и дългосрочна стабилност за ефективно разделяне на водата.

В областта на електрохимичните приложенияса използвани две основни стратегии за приготвяне на електроди. Първата и най-широко използвана техника включва използването на катализатори в прахообразна форма. Обикновено електродите се конструират чрез използване на суспензии от електроактивни материали, подобрители на проводимостта и лепила върху проводими субстрати. Този подход обаче не е без недостатъци. Основният недостатък е изискването за електроизолиращо свързващо вещество, което намалява контактната площ между електролита и катализатора. Това може да доведе до блокиране на каталитично активните места, което води до висока устойчивост и намалена електрокаталитична производителност. В допълнение, електродите са относително нестабилни, тъй като прикрепеният катализатор има тенденция да се отлепи от проводящия субстрат при високи плътности на тока. Втората основна стратегия за подготовка на електроди е използването на материали на базата на благородни метали, които се електроотлагат директно върху проводимия субстрат, като никелова пяна, медно фолио, въглеродна тъкан или хартия, FTO, неръждаема стомана и никелово фолио. Този подход обаче не е без ограничения. Трудно е да се контролира прецизно достъпното пространство между отложените активни материали и следователно производителността на електрода намалява с увеличаване на дебелината на филма поради недостъпността на субстрата до каталитично активните места вътре. Освен това сложността и високата цена на метода силно затрудняват практическото му приложение. Следователно, разработването на рентабилни производствени техники затриизмерни (3D) електродие необходимо за успешни електрохимични приложения.

Разработването на нови триизмерни метални материали с порести структури и високи специфични повърхностни площи привлече значително внимание поради потенциала им да намалят дължината на йонна дифузия и да увеличат йонната и електронна проводимост. Следователно, обещаваща посока за проектиране на електрокатализатор е да се комбинират различни структурни измерения, за да се създаде наноструктуриран композит от носители на катализатор, които осигуряват висока проводимост, голяма повърхностна площ и висока стабилност.Никелова пяна(NF), достъпен в търговската мрежа и евтин материал, се използва широко като субстрат и носител за електродни материали поради желаната му триизмерна структура с отворени пори, висока електрическа проводимост и голяма специфична повърхност. Микропорите и назъбеният поток каналите в NF също осигуряват добър масов трансфер и голяма повърхност на единица площ. Различни субстрати, включително различни метални пени, мрежи, фолиа и тъкани, са изследвани като колектори за електрохимични приложения като литиево-йонни батерии, суперкондензатори, слънчеви клетки и разделяне на вода. По-специално, порестите NF привлякоха вниманието поради тяхната ниска цена, електрическа проводимост и голяма електроактивна повърхност, която е идеална за зареждане на катализатори и увеличаване на електрохимичните активни места. В допълнение, порестите NFs имат предимства при подобряване на масовия транспорт на електролити, което ги прави подходящи кандидати за колектори на ток с голяма повърхност в енергийни приложения. Директният растеж на активни материали върху никелова пяна също подобрява контакта катализатор-субстрат за ефективен пренос на електрони при реакции на воден крекинг. Докато суперкондензаторните и батерийните електроди остават основните приложения за NFs, последните проучвания показват, че електродните материали, отложени върху този материал, имат по-добра OER активност от Ni фолиата и мрежите. Тези материали могат да се прилагат както в естествената им форма, така и декорирани с активни материали, а дунапрените могат да се използват както като колектори, така и като опорни субстрати. По този начин растежът на наноструктуриран, богат на земя каталитичен материал върху NF субстрати е обещаващ за разработването на усъвършенствани електродни материали за устройства за съхранение/преобразуване на енергия. Въпреки че богатите на земя електрокатализатори, отгледани директно върху никелова пяна, са широко достъпни, триизмерните електроди върху никелова пяна за OERs и HERs не са широко изследвани, въпреки че те са порести йерархични структури, които са евтини и лесни за производство.