Využití nanostrukturních materiálů na trojrozměrných niklových pěnových materiálech jako elektrokatalyzátory pro krakování vodou

Vyčerpávání fosilních paliv a rostoucí obavy z energetických a ekologických problémů vedly k rozsáhlému výzkumnému úsilí o vývoj alternativních zdrojů energie.Elektrochemická elektrolýzavody je považována za slibnou strategii pro výrobu vodíkového paliva. Účinné krakování vodou však vyžaduje účinné a odolné elektrokatalyzátory, které mohou urychlit kinetiku reakce extrakce kyslíku (OER) a reakce extrakce vodíku (HER). Katalyzátory obsahující ušlechtilé kovy, jako je Pt a jeho slitiny, RuO2 a IrO2, jsou v současnosti nejúčinnějšími katalyzátory pro katalýzu OER a HER. Vysoká cena a nedostatek vzácných kovů však brání jejich rozsáhlému použití a rozvoji technologií obnovitelné energie. Aby se tato omezení překonala, bylo vynaloženo značné úsilí na navržení a syntézu elektrokatalyzátorů z jiných než drahých kovů s použitím materiálů hojných v zemi jako ekonomických alternativ k OER a OERHER. Oxidy přechodných kovů, sulfidy, fosfidy, uhlíkové materiály, selenidy a komplexy smíšených kovů byly rozsáhle studovány a prokázaly slibný výkon pro OER a HER. Většina těchto elektrokatalyzátorů však vyžaduje vyšší přepětí než katalyzátory na bázi ušlechtilých kovů a zlepšení jejich stability zůstává zásadní. Proto existuje naléhavá potřeba vyvinout levnou a účinnou alternativní elektrodovou strukturu s vysokou aktivitou a dlouhodobou stabilitou pro účinné štěpení vody.

V oblasti elektrochemických aplikacíPro přípravu elektrod byly použity dvě hlavní strategie. První a nejrozšířenější technika zahrnuje použití katalyzátorů v práškové formě. Typicky jsou elektrody konstruovány s využitím kalů elektroaktivních materiálů, zesilovačů vodivosti a lepidel na vodivých substrátech. Tento přístup však není bez nevýhod. Hlavní nevýhodou je požadavek na elektricky izolační pojivo, které zmenšuje kontaktní plochu mezi elektrolytem a katalyzátorem. To může vést k zablokování katalyticky aktivních míst, což má za následek vysoký odpor a snížený elektrokatalytický výkon. Kromě toho jsou elektrody relativně nestabilní, protože připojený katalyzátor má tendenci se odlupovat od vodivého substrátu při vysokých proudových hustotách. Druhou hlavní strategií pro přípravu elektrod je použití materiálů na bázi ušlechtilých kovů, které jsou elektrolyticky nanášeny přímo na vodivý substrát, jako je niklová pěna, měděná fólie, uhlíková tkanina nebo papír, FTO, nerezová ocel a niklová fólie. Tento přístup však není bez omezení. Je obtížné přesně řídit přístupný prostor mezi nanášenými aktivními materiály, a proto se výkon elektrody snižuje s rostoucí tloušťkou filmu v důsledku nepřístupnosti substrátu ke katalyticky aktivním místům uvnitř. Složitost a vysoká cena metody navíc značně brání její praktické aplikaci. Proto vývoj nákladově efektivních výrobních technik protrojrozměrné (3D) elektrodyje nezbytný pro úspěšné elektrochemické aplikace.

Vývoj nových trojrozměrných kovových materiálů s porézní strukturou a vysokým specifickým povrchem přitáhl značnou pozornost kvůli jejich potenciálu zkrátit délku difúze iontů a zvýšit iontovou a elektronovou vodivost. Slibným směrem pro návrh elektrokatalyzátorů je proto kombinovat různé strukturální rozměry za účelem vytvoření nanostrukturního kompozitu nosičů katalyzátorů, které poskytují vysokou vodivost, velký povrch a vysokou stabilitu.Niklová pěna(NF), komerčně dostupný a levný materiál, byl široce používán jako substrát a nosič pro elektrodové materiály díky své žádoucí trojrozměrné struktuře s otevřenými póry, vysoké elektrické vodivosti a velkému specifickému povrchu. Mikropóry a zubatý tok kanály uvnitř NF také poskytují dobrý přenos hmoty a velký povrch na jednotku plochy. Různé substráty, včetně různých kovových pěn, sítí, fólií a tkanin, byly zkoumány jako kolektory pro elektrochemické aplikace, jako jsou lithium-iontové baterie, superkondenzátory, solární články a dělení vody. Zejména porézní NF přitahovaly pozornost díky své nízké ceně, elektrické vodivosti a velké elektroaktivní povrchové ploše, která je ideální pro nakládání katalyzátorů a zvyšování elektrochemicky aktivních míst. Kromě toho mají porézní NF výhody při zvyšování hromadného transportu elektrolytů, díky čemuž jsou vhodnými kandidáty pro kolektory proudu s velkou povrchovou plochou v energetických aplikacích. Přímý růst aktivních materiálů na niklové pěně také zlepšuje kontakt katalyzátor-substrát pro účinný přenos elektronů při vodních krakovacích reakcích. Zatímco superkondenzátorové a bateriové elektrody zůstávají hlavními aplikacemi pro NF, nedávné studie ukázaly, že elektrodové materiály uložené na tomto materiálu mají lepší OER aktivitu než Ni fólie a sítě. Tyto materiály mohou být aplikovány buď v přírodní formě, nebo zdobeny aktivními materiály a pěny mohou být použity jak jako kolektory, tak jako nosné substráty. Růst nanostrukturovaného katalytického materiálu bohatého na zeminu na NF substrátech je tedy příslibem pro vývoj pokročilých elektrodových materiálů pro zařízení pro ukládání/přeměnu energie. Ačkoli jsou běžně dostupné elektrokatalyzátory bohaté na zeminu pěstované přímo na niklové pěně, trojrozměrné elektrody na niklové pěně pro OER a HER nebyly rozsáhle zkoumány, ačkoli se jedná o porézní hierarchické struktury, které jsou levné a snadno se vyrábějí.