Nanostruktureeritud materjalide kasutamine kolmemõõtmelistel nikkelvahtmaterjalidel elektrokatalüsaatoritena vee lõhenemisel

Fossiilkütuste ammendumine ning kasvav mure energia- ja keskkonnaprobleemide pärast on viinud ulatuslike teadusuuringuteni alternatiivsete energiaallikate väljatöötamiseks.Elektrokeemiline elektrolüüsvee kasutamist peetakse paljulubavaks strateegiaks vesinikkütuse tootmisel. Tõhusaks vesikrakkimiseks on aga vaja tõhusaid ja vastupidavaid elektrokatalüsaatoreid, mis võivad kiirendada hapniku ekstraheerimise reaktsiooni (OER) ja vesiniku ekstraheerimise reaktsiooni (HER) kineetikat. Väärismetalle sisaldavad katalüsaatorid, nagu Pt ja selle sulamid, RuO2 ja IrO2, on praegu kõige tõhusamad katalüsaatorid OER ja HER katalüüsimisel. Väärismetallide kõrge hind ja nappus on aga takistanud nende laiaulatuslikku rakendamist ja taastuvenergia tehnoloogiate arendamist. Nende piirangute ületamiseks on tehtud märkimisväärseid jõupingutusi mitteväärismetallide elektrokatalüsaatorite kavandamiseks ja sünteesimiseks, kasutades OER-i ja OERHER-i ökonoomse alternatiivina maa-rikkaid materjale. Siirdemetallide oksiide, sulfiide, fosfiide, süsinikmaterjale, seleniide ja metallisegude komplekse on põhjalikult uuritud ning need on näidanud paljutõotavat jõudlust OER-i ja HER-i jaoks. Enamik neist elektrokatalüsaatoritest vajavad siiski suuremat ülepotentsiaali kui väärismetallil põhinevad katalüsaatorid ja nende stabiilsuse parandamine on endiselt ülioluline. Seetõttu on vee tõhusaks jaotamiseks kiiresti vaja välja töötada odav ja tõhus alternatiivne elektroodi struktuur, millel on kõrge aktiivsus ja pikaajaline stabiilsus.

Elektrokeemiliste rakenduste valdkonnas, on elektroodide ettevalmistamiseks kasutatud kahte peamist strateegiat. Esimene ja kõige laialdasemalt kasutatav tehnika hõlmab pulbriliste katalüsaatorite kasutamist. Tavaliselt konstrueeritakse elektroodid, kasutades juhtivatel aluspindadel elektroaktiivsete materjalide, juhtivuse parandajate ja liimide suspensioone. Sellel lähenemisviisil pole aga puudusi. Peamine puudus on elektriisolatsiooniga sideaine nõue, mis vähendab elektrolüüdi ja katalüsaatori kontaktpinda. See võib viia katalüütiliselt aktiivsete kohtade blokeerimiseni, mille tulemuseks on suur takistus ja vähenenud elektrokatalüütiline jõudlus. Lisaks on elektroodid suhteliselt ebastabiilsed, kuna kinnitatud katalüsaator kipub suure voolutiheduse korral juhtivalt substraadilt maha kooruma. Elektroodide ettevalmistamise teine ​​põhistrateegia on väärismetallipõhiste materjalide kasutamine, mis sadestatakse otse juhtivale substraadile, nagu nikkelvaht, vaskfoolium, süsinikriie või paber, FTO, roostevaba teras ja nikkelfoolium. Kuid see lähenemisviis ei ole ilma piiranguteta. Sadestunud aktiivsete materjalide vahelist ligipääsetavat ruumi on raske täpselt kontrollida ja seetõttu väheneb elektroodi jõudlus kile paksuse suurenemisega, kuna substraadi ei pääse ligi katalüütiliselt aktiivsetele kohtadele. Lisaks takistab meetodi keerukus ja kõrge hind oluliselt selle praktilist rakendamist. Seetõttu on kulutõhusate valmistamistehnikate väljatöötaminekolmemõõtmelised (3D) elektroodidon vajalik edukate elektrokeemiliste rakenduste jaoks.

Uute poorse struktuuri ja suure eripinnaga kolmemõõtmeliste metallmaterjalide väljatöötamine on äratanud märkimisväärset tähelepanu, kuna need võivad vähendada ioonide difusiooni pikkust ning suurendada ioon- ja elektroonilist juhtivust. Seetõttu on elektrokatalüsaatori projekteerimisel paljutõotav suund erinevate konstruktsioonimõõtmete kombineerimine, et luua katalüsaatorikandjatest nanostruktureeritud komposiit, mis tagab kõrge juhtivuse, suure pindala ja kõrge stabiilsuse.Nikkelvaht(NF), kaubanduslikult saadavat ja odavat materjali, on laialdaselt kasutatud elektroodide materjalide substraadi ja kandjana tänu selle soovitavale kolmemõõtmelisele avatud pooridega struktuurile, kõrgele elektrijuhtivusele ja suurele eripinnale. Mikropoorid ja sakiline vool. NF-i kanalid tagavad ka hea massiülekande ja suure pindala pindalaühiku kohta. Elektrokeemiliste rakenduste, näiteks liitiumioonakude, superkondensaatorite, päikesepatareide ja vee jagamise kollektoritena on uuritud mitmesuguseid substraate, sealhulgas erinevaid metallvahtusid, võrke, kilesid ja kangaid. Eelkõige on poorsed NF-id pälvinud tähelepanu nende madala hinna, elektrijuhtivuse ja suure elektroaktiivse pinna tõttu, mis sobib ideaalselt katalüsaatorite laadimiseks ja elektrokeemiliste aktiivsete saitide suurendamiseks. Lisaks on poorsetel NF-del eelised elektrolüütide massitranspordi suurendamisel, muutes need sobivaks kandidaadiks suure pindalaga voolukollektorite jaoks energiarakendustes. Aktiivsete materjalide otsene kasv niklivahule suurendab ka katalüsaatori ja substraadi kontakti tõhusaks elektronide ülekandeks vees krakkimise reaktsioonides. Kuigi superkondensaatori- ja akuelektroodid jäävad NF-ide peamisteks rakendusteks, on hiljutised uuringud näidanud, et sellele materjalile ladestunud elektroodimaterjalidel on parem OER-i aktiivsus kui Ni-fooliumidel ja -võrkudel. Neid materjale saab peale kanda kas loomulikul kujul või aktiivmaterjalidega kaunistatult ning vahtu saab kasutada nii kogujatena kui ka tugialustena. Seega lubab nanostruktureeritud maa-rikka katalüütilise materjali kasv NF-substraatidel täiustatud elektroodmaterjalide väljatöötamist energia salvestamise / muundamise seadmete jaoks. Kuigi tavaliselt on saadaval otse niklivahule kasvatatud mullarikkad elektrokatalüsaatorid, ei ole OER-i ja HER-ide jaoks mõeldud niklivahu kolmemõõtmelisi elektroode põhjalikult uuritud, kuigi need on poorsed hierarhilised struktuurid, mis on odavad ja kergesti valmistatavad.