Χρήση νανοδομικών υλικών σε τρισδιάστατα υλικά αφρού νικελίου ως ηλεκτροκαταλύτες για πυρόλυση νερού

Η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και οι αυξανόμενες ανησυχίες για την ενέργεια και τα περιβαλλοντικά ζητήματα έχουν οδηγήσει σε εκτεταμένες ερευνητικές προσπάθειες για την ανάπτυξη εναλλακτικών πηγών ενέργειας.Ηλεκτροχημική ηλεκτρόλυσητου νερού θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την παραγωγή καυσίμου υδρογόνου. Ωστόσο, η αποτελεσματική πυρόλυση νερού απαιτεί αποδοτικούς και ανθεκτικούς ηλεκτροκαταλύτες που μπορούν να επιταχύνουν την κινητική της αντίδρασης εξαγωγής οξυγόνου (OER) και αντίδρασης εξαγωγής υδρογόνου (HER). Οι καταλύτες που περιέχουν ευγενή μέταλλα, όπως το Pt και τα κράματά του, RuO2 και IrO2, είναι επί του παρόντος οι πιο αποτελεσματικοί καταλύτες για την κατάλυση OER και HER. Ωστόσο, το υψηλό κόστος και η σπανιότητα των ευγενών μετάλλων έχουν εμποδίσει τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή τους και την ανάπτυξη τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για το σχεδιασμό και τη σύνθεση ηλεκτροκαταλυτών μη πολύτιμων μετάλλων χρησιμοποιώντας υλικά με αφθονία στη γη ως οικονομικές εναλλακτικές λύσεις έναντι των OER και OERHER. Οξείδια μετάλλων μεταπτώσεως, σουλφίδια, φωσφίδια, υλικά άνθρακα, σεληνίδια και σύμπλοκα μικτών μετάλλων έχουν μελετηθεί εκτενώς και έχουν δείξει πολλά υποσχόμενες επιδόσεις για το OER και το HER. Ωστόσο, οι περισσότεροι από αυτούς τους ηλεκτροκαταλύτες απαιτούν υψηλότερες υπερδυναμικές από τους καταλύτες με βάση ευγενή μέταλλα και η βελτίωση της σταθερότητάς τους παραμένει ζωτικής σημασίας. Επομένως, υπάρχει επείγουσα ανάγκη να αναπτυχθεί μια χαμηλού κόστους και αποτελεσματική εναλλακτική δομή ηλεκτροδίων με υψηλή δραστηριότητα και μακροπρόθεσμη σταθερότητα για αποτελεσματική διάσπαση του νερού.

Στον τομέα των ηλεκτροχημικών εφαρμογών, δύο κύριες στρατηγικές έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή ηλεκτροδίων. Η πρώτη και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική περιλαμβάνει τη χρήση καταλυτών σε μορφή σκόνης. Τυπικά, τα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται με τη χρήση πολτού ηλεκτροενεργών υλικών, ενισχυτών αγωγιμότητας και συγκολλητικών σε αγώγιμα υποστρώματα. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν είναι χωρίς μειονεκτήματα. Το κύριο μειονέκτημα είναι η απαίτηση για ηλεκτρικά μονωτικό συνδετικό υλικό, το οποίο μειώνει την περιοχή επαφής μεταξύ του ηλεκτρολύτη και του καταλύτη. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μπλοκάρισμα των καταλυτικά ενεργών θέσεων, με αποτέλεσμα υψηλή αντίσταση και μειωμένη ηλεκτροκαταλυτική απόδοση. Επιπλέον, τα ηλεκτρόδια είναι σχετικά ασταθή, καθώς ο προσαρτημένος καταλύτης τείνει να αποκολλάται από το αγώγιμο υπόστρωμα σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος. Η δεύτερη βασική στρατηγική για την προετοιμασία ηλεκτροδίων είναι η χρήση υλικών με βάση ευγενή μέταλλα τα οποία εναποτίθενται απευθείας στο αγώγιμο υπόστρωμα, όπως αφρός νικελίου, φύλλο χαλκού, ύφασμα άνθρακα ή χαρτί, FTO, ανοξείδωτο χάλυβα και φύλλο νικελίου. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν είναι χωρίς περιορισμούς. Είναι δύσκολο να ελεγχθεί επακριβώς ο προσβάσιμος χώρος μεταξύ των εναποτιθέμενων ενεργών υλικών και, ως εκ τούτου, η απόδοση του ηλεκτροδίου μειώνεται με την αύξηση του πάχους του φιλμ λόγω της απρόσιτης πρόσβασης του υποστρώματος στις καταλυτικά ενεργές θέσεις στο εσωτερικό. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα και το υψηλό κόστος της μεθόδου εμποδίζουν σε μεγάλο βαθμό την πρακτική εφαρμογή της. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη οικονομικών τεχνικών κατασκευής γιατρισδιάστατα (3D) ηλεκτρόδιαείναι απαραίτητο για επιτυχημένες ηλεκτροχημικές εφαρμογές.

Η ανάπτυξη νέων τρισδιάστατων μεταλλικών υλικών με πορώδεις δομές και υψηλές ειδικές επιφάνειες έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω της δυνατότητάς τους να μειώνουν το μήκος διάχυσης ιόντων και να αυξάνουν την ιοντική και ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Επομένως, μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση για το σχεδιασμό ηλεκτροκαταλύτη είναι ο συνδυασμός διαφορετικών δομικών διαστάσεων προκειμένου να δημιουργηθεί ένα νανοδομημένο σύνθετο από φορείς καταλύτη που παρέχουν υψηλή αγωγιμότητα, μεγάλη επιφάνεια και υψηλή σταθερότητα.Αφρός νικελίου(NF), ένα εμπορικά διαθέσιμο και φθηνό υλικό, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως ως υπόστρωμα και φορέας για υλικά ηλεκτροδίων λόγω της επιθυμητής τρισδιάστατης δομής ανοιχτών πόρων, υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και μεγάλης ειδικής επιφάνειας. Οι μικροπόροι και η οδοντωτή ροή Τα κανάλια εντός των NF παρέχουν επίσης καλή μεταφορά μάζας και μεγάλη επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας. Διάφορα υποστρώματα, συμπεριλαμβανομένων διαφορετικών αφρού μετάλλων, διχτυών, φύλλων και υφασμάτων, έχουν διερευνηθεί ως συλλέκτες για ηλεκτροχημικές εφαρμογές όπως μπαταρίες ιόντων λιθίου, υπερπυκνωτές, ηλιακά κύτταρα και διάσπαση νερού. Συγκεκριμένα, τα πορώδη NFs έχουν προσελκύσει την προσοχή λόγω του χαμηλού κόστους, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και της μεγάλης ηλεκτροδραστικής επιφάνειας, η οποία είναι ιδανική για φόρτωση καταλυτών και αύξηση ηλεκτροχημικών ενεργών θέσεων. Επιπλέον, τα πορώδη NFs έχουν πλεονεκτήματα στην ενίσχυση της μαζικής μεταφοράς ηλεκτρολυτών, καθιστώντας τους κατάλληλους υποψήφιους για συλλέκτες ρεύματος υψηλής επιφάνειας σε ενεργειακές εφαρμογές. Η άμεση ανάπτυξη ενεργών υλικών σε αφρό νικελίου ενισχύει επίσης την επαφή καταλύτη-υποστρώματος για αποτελεσματική μεταφορά ηλεκτρονίων σε αντιδράσεις πυρόλυσης νερού. Ενώ τα ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών και μπαταριών παραμένουν οι κύριες εφαρμογές για τα NF, πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι τα υλικά ηλεκτροδίων που εναποτίθενται σε αυτό το υλικό έχουν ανώτερη δραστηριότητα OER από τα φύλλα Ni και τα δίχτυα. Αυτά τα υλικά μπορούν να εφαρμοστούν είτε στη φυσική τους μορφή είτε να διακοσμηθούν με ενεργά υλικά και οι αφροί μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο ως συλλέκτες όσο και ως υποστρώματα στήριξης. Έτσι, η ανάπτυξη ενός νανοδομημένου, πλούσιου σε γη καταλυτικού υλικού σε υποστρώματα NF υπόσχεται την ανάπτυξη προηγμένων υλικών ηλεκτροδίων για συσκευές αποθήκευσης/μετατροπής ενέργειας. Αν και είναι συνήθως διαθέσιμοι ηλεκτροκαταλύτες πλούσιοι σε γη που αναπτύσσονται απευθείας σε αφρό νικελίου, τα τρισδιάστατα ηλεκτρόδια σε αφρό νικελίου για OER και HER δεν έχουν διερευνηθεί εκτενώς, αν και είναι πορώδεις ιεραρχικές δομές που είναι χαμηλού κόστους και εύκολο να κατασκευαστούν.