Anvendelse af nanostrukturerede materialer på tredimensionelle nikkelskummaterialer som elektrokatalysatorer til vandkrakning

Udtømningen af ​​fossile brændstoffer og voksende bekymringer om energi- og miljøspørgsmål har ført til en omfattende forskningsindsats for at udvikle alternative energikilder.Elektrokemisk elektrolysevand betragtes som en lovende strategi for produktion af brintbrændstof. Effektiv vandkrakning kræver imidlertid effektive og holdbare elektrokatalysatorer, der kan accelerere kinetikken af ​​oxygen-ekstraktionsreaktionen (OER) og hydrogenekstraktionsreaktionen (HER). Ædelmetalholdige katalysatorer, såsom Pt og dets legeringer, RuO2 og IrO2, er i øjeblikket de mest effektive katalysatorer til at katalysere OER og HER. Imidlertid har de høje omkostninger og knapheden på ædelmetaller hindret deres anvendelse i stor skala og udviklingen af ​​vedvarende energiteknologier. For at overvinde disse begrænsninger er der gjort en betydelig indsats for at designe og syntetisere ikke-ædelmetalelektrokatalysatorer ved brug af jordrige materialer som økonomiske alternativer til OER og OERHER. Overgangsmetaloxider, sulfider, phosphider, kulstofmaterialer, selenider og blandede metalkomplekser er blevet grundigt undersøgt og har vist lovende ydeevne for OER og HER. De fleste af disse elektrokatalysatorer kræver dog højere overpotentialer end ædelmetalbaserede katalysatorer, og forbedring af deres stabilitet er fortsat afgørende. Derfor er der et presserende behov for at udvikle en billig og effektiv alternativ elektrodestruktur med høj aktivitet og langsigtet stabilitet til effektiv vandopdeling.

Inden for elektrokemiske anvendelser, er to hovedstrategier blevet brugt til at fremstille elektroder. Den første og mest udbredte teknik involverer brugen af ​​katalysatorer i pulverform. Typisk er elektroder konstrueret ved at anvende opslæmninger af elektroaktive materialer, ledningsevneforstærkere og klæbemidler på ledende substrater. Denne tilgang er dog ikke uden ulemper. Den største ulempe er kravet om et elektrisk isolerende bindemiddel, som reducerer kontaktarealet mellem elektrolytten og katalysatoren. Dette kan føre til blokering af de katalytisk aktive steder, hvilket resulterer i høj modstand og reduceret elektrokatalytisk ydeevne. Derudover er elektroderne relativt ustabile, da den vedhæftede katalysator har tendens til at skalle af fra det ledende substrat ved høje strømtætheder. Den anden hovedstrategi for elektrodeforberedelse er brugen af ​​ædelmetalbaserede materialer, som elektroaflejres direkte på det ledende substrat, såsom nikkelskum, kobberfolie, kulstof eller papir, FTO, rustfrit stål og nikkelfolie. Denne tilgang er dog ikke uden sine begrænsninger. Det er vanskeligt præcist at kontrollere det tilgængelige rum mellem de aflejrede aktive materialer, og derfor formindskes elektrodeydelsen med stigende filmtykkelse på grund af substratets utilgængelighed til de katalytisk aktive steder indeni. Derudover hindrer metodens kompleksitet og høje omkostninger i høj grad dens praktiske anvendelse. Derfor er udviklingen af ​​omkostningseffektive fremstillingsteknikker tiltredimensionelle (3D) elektroderer nødvendig for vellykkede elektrokemiske anvendelser.

Udviklingen af ​​nye tredimensionelle metalliske materialer med porøse strukturer og høje specifikke overfladearealer har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres potentiale til at reducere iondiffusionslængde og øge ionisk og elektronisk ledningsevne. Derfor er en lovende retning for elektrokatalysatordesign at kombinere forskellige strukturelle dimensioner for at skabe en nanostruktureret komposit af katalysatorbærere, der giver høj ledningsevne, stort overfladeareal og høj stabilitet.Nikkelskum(NF), et kommercielt tilgængeligt og billigt materiale, er blevet brugt i vid udstrækning som et substrat og bærer for elektrodematerialer på grund af dets ønskelige tredimensionelle åbne porestruktur, høje elektriske ledningsevne og store specifikke overfladeareal. Mikroporerne og takkede flow kanaler inden for NF'erne giver også god masseoverførsel og stort overfladeareal pr. arealenhed. Forskellige substrater, herunder forskellige metalskum, masker, folier og stoffer, er blevet udforsket som samlere til elektrokemiske applikationer såsom lithium-ion-batterier, superkondensatorer, solceller og vandopdeling. Især har porøse NF'er tiltrukket sig opmærksomhed på grund af deres lave omkostninger, elektriske ledningsevne og store elektroaktive overfladeareal, som er ideel til at fylde katalysatorer og øge elektrokemiske aktive steder. Derudover har porøse NF'er fordele ved at forbedre massetransporten af ​​elektrolytter, hvilket gør dem til egnede kandidater til strømkollektorer med stort overfladeareal i energianvendelser. Direkte vækst af aktive materialer på nikkelskum forbedrer også kontakten mellem katalysator og substrat for effektiv elektronoverførsel i vandkrakningsreaktioner. Mens superkondensator- og batterielektroder fortsat er de vigtigste anvendelser for NF'er, har nyere undersøgelser vist, at elektrodematerialer aflejret på dette materiale har overlegen OER-aktivitet end Ni-folier og -net. Disse materialer kan påføres enten i deres naturlige form eller dekoreres med aktive materialer, og skummet kan bruges både som samlere og støtteunderlag. Væksten af ​​et nanostruktureret, jordrigt katalytisk materiale på NF-substrater lover således udviklingen af ​​avancerede elektrodematerialer til energilagrings-/konverteringsenheder. Selvom jordrige elektrokatalysatorer dyrket direkte på nikkelskum er almindeligt tilgængelige, er tredimensionelle elektroder på nikkelskum til OER'er og HER'er ikke blevet grundigt undersøgt, selvom de er porøse hierarkiske strukturer, der er billige og nemme at fremstille.