Utiligo de nanostrukturitaj materialoj sur tridimensiaj nikelŝaŭmaj materialoj kiel elektrokataliziloj por akvofendado

La malplenigo de fosiliaj fueloj kaj kreskantaj zorgoj pri energio kaj mediaj temoj kaŭzis ampleksajn esplorklopodojn evoluigi alternativajn energifontojn.Elektrokemia elektrolizode akvo estas konsiderita promesplena strategio por hidrogena fuelproduktado. Tamen, efika akvofendado postulas efikajn kaj daŭremajn elektrokatalizilojn kiuj povas akceli la kinetikon de la oksigen-ekstrakta reago (OER) kaj hidrogen-ekstrakta reago (HER). Noblaj metal-enhavantaj kataliziloj, kiel ekzemple Pt kaj ĝiaj alojoj, RuO2 kaj IrO2, estas nuntempe la plej efikaj kataliziloj por katalizi OER kaj HER. Tamen, la alta kosto kaj malabundeco de noblaj metaloj malhelpis ilian grandskalan aplikon kaj la evoluon de renoviĝantaj energioteknologioj. Por venki ĉi tiujn limigojn, konsiderindaj klopodoj estis faritaj por dizajni kaj sintezi nevalormetalajn elektrokatalizilojn uzante ter-abundajn materialojn kiel ekonomiajn alternativojn al OER kaj OERHER. Transirmetaloksidoj, sulfidoj, fosfidoj, karbonmaterialoj, selenidoj, kaj miksmetalaj kompleksoj estis grandskale studitaj kaj montris esperigan efikecon por OER kaj HER. Tamen, la plej multaj el tiuj elektrokataliziloj postulas pli altajn tropotencialojn ol noblaj metal-bazitaj kataliziloj, kaj plibonigi ilian stabilecon restas decida. Tial, estas urĝa bezono evoluigi malmultekostan kaj efikan alternativan elektrodan strukturon kun alta agado kaj longdaŭra stabileco por efika akvodisigo.

En la kampo de elektrokemiaj aplikoj, du ĉefaj strategioj estis uzitaj por prepari elektrodojn. La unua kaj plej vaste uzata tekniko implikas la uzon de kataliziloj en pulvora formo. Tipe, elektrodoj estas konstruitaj per utiligado de suspensiaĵoj de elektroaktivaj materialoj, konduktivecplifortigantoj, kaj gluoj sur konduktaj substratoj. Tamen, ĉi tiu aliro ne estas sen malavantaĝoj. La ĉefa malavantaĝo estas la postulo por elektre izola ligilo, kiu reduktas la kontaktan areon inter la elektrolito kaj la katalizilo. Ĉi tio povas konduki al blokado de la katalize aktivaj ejoj, rezultigante altan reziston kaj reduktitan elektrokatalizan efikecon. Krome, la elektrodoj estas relative malstabilaj, ĉar la fiksita katalizilo tendencas senŝeliĝi de la kondukanta substrato ĉe altaj kurentdensecoj. La dua ĉefa strategio por elektrodpreparo estas la uzo de noblaj metal-bazitaj materialoj, kiuj estas elektrodeponitaj rekte sur la kondukta substrato, kiel ekzemple nikelŝaŭmo, kupra folio, karbona ŝtofo aŭ papero, FTO, neoksidebla ŝtalo kaj nikela folio. Tamen, ĉi tiu aliro ne estas sen siaj limoj. Estas malfacile precize kontroli la alireblan spacon inter la deponitaj aktivaj materialoj kaj, tial, la elektroda agado malpliiĝas kun pliiĝanta filmdikeco pro la nealirebleco de la substrato al la katalize aktivaj ejoj interne. Krome, la komplekseco kaj alta kosto de la metodo tre malhelpas ĝian praktikan aplikon. Tial, la disvolviĝo de kostefika fabrikado teknikoj portridimensiaj (3D) elektrodojestas necesa por sukcesaj elektrokemiaj aplikoj.

La evoluo de novaj tridimensiaj metalaj materialoj kun poraj strukturoj kaj altaj specifaj surfacareoj altiris konsiderindan atenton pro ilia potencialo redukti jondisvastiglongon kaj pliigi jonan kaj elektronikan konduktivecon. Tial, promesplena direkto por elektrokatalizila dezajno estas kombini malsamajn strukturajn dimensiojn por krei nanostrukturitan kunmetaĵon de katalizilaj portantoj kiuj disponigas altan konduktivecon, grandan surfacareon kaj altan stabilecon.Nikela ŝaŭmo(NF), komerce havebla kaj malmultekosta materialo, estis vaste uzata kiel substrato kaj portanto por elektrodaj materialoj pro ĝia dezirinda tridimensia malferma-pora strukturo, alta elektra kondukteco kaj granda specifa surfacareo. La mikroporoj kaj denta fluo. kanaloj ene de la NFs ankaŭ disponigas bonan amastranslokigon kaj grandan surfacareon per unuareo. Diversaj substratoj, inkluzive de malsamaj metalŝaŭmoj, maŝoj, tavoletoj kaj ŝtofoj, estis esploritaj kiel kolektantoj por elektrokemiaj aplikoj kiel ekzemple litijonaj baterioj, superkondensiloj, sunĉeloj kaj akvodisigo. Aparte, poraj NFoj altiris atenton pro sia malalta kosto, elektra kondukteco, kaj granda elektroaktiva surfacareo, kiu estas ideala por ŝarĝi katalizilojn kaj pliigi elektrokemiajn aktivajn ejojn. Krome, poraj NFoj havas avantaĝojn en plifortigado de la amastransporto de elektrolitoj, igante ilin taŭgaj kandidatoj por altaj surfacareaj kurentkolektantoj en energiaplikoj. Rekta kresko de aktivaj materialoj sur nikelŝaŭmo ankaŭ plifortigas katalizilo-substratan kontakton por efika elektrontransigo en akvokraĉaj reagoj. Dum superkondensatoro kaj baterielektrodoj restas la ĉefaj aplikoj por NFoj, lastatempaj studoj montris ke elektrodmaterialoj deponitaj sur tiu materialo havas superan OER-agadon ol Ni-tavoletoj kaj retoj. Ĉi tiuj materialoj povas esti aplikataj aŭ en sia natura formo aŭ ornamitaj per aktivaj materialoj, kaj la ŝaŭmoj povas esti uzataj kiel kolektantoj kaj subtenaj substratoj. Tiel, la kresko de nanostrukturita, ter-riĉa kataliza materialo sur NF-substratoj havas promeson por la evoluo de progresintaj elektrodmaterialoj por energistokado/konvertaj aparatoj. Kvankam terriĉaj elektrokataliziloj kreskigitaj rekte sur nikelŝaŭmo estas ofte haveblaj, tridimensiaj elektrodoj sur nikela ŝaŭmo por OERoj kaj HERoj ne estis grandskale esploritaj, kvankam ili estas poraj hierarkiaj strukturoj kiuj estas malmultekostaj kaj facile fabrikeblaj.