ત્રિ-પરિમાણીય નિકલ ફોમ સામગ્રી પર નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ સામગ્રીનો ઉપયોગ પાણીના તિરાડ માટે ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસ્ટ તરીકે

અશ્મિભૂત ઇંધણની અવક્ષય અને ઉર્જા અને પર્યાવરણીય મુદ્દાઓ અંગેની વધતી જતી ચિંતાઓને કારણે વૈકલ્પિક ઉર્જા સ્ત્રોતો વિકસાવવા માટે વ્યાપક સંશોધન પ્રયાસો થયા છે.ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણહાઇડ્રોજન ઇંધણ ઉત્પાદન માટે પાણીની એક આશાસ્પદ વ્યૂહરચના માનવામાં આવે છે. જો કે, કાર્યક્ષમ પાણી ક્રેકીંગ માટે કાર્યક્ષમ અને ટકાઉ ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસ્ટ્સની જરૂર છે જે ઓક્સિજન-એક્સટ્રેક્શન રિએક્શન (OER) અને હાઇડ્રોજન-એક્સટ્રેક્શન રિએક્શન (HER) ના ગતિશાસ્ત્રને વેગ આપી શકે છે. ઉમદા ધાતુ ધરાવતા ઉત્પ્રેરકો, જેમ કે Pt અને તેના એલોય, RuO2 અને IrO2, હાલમાં OER અને HERને ઉત્પ્રેરિત કરવા માટે સૌથી વધુ કાર્યક્ષમ ઉત્પ્રેરક છે. જો કે, ઉમદા ધાતુઓની ઊંચી કિંમત અને અછત તેમના મોટા પાયે ઉપયોગ અને નવીનીકરણીય ઉર્જા તકનીકોના વિકાસને અવરોધે છે. આ મર્યાદાઓને દૂર કરવા માટે, OER અને OERHER ના આર્થિક વિકલ્પો તરીકે પૃથ્વી-વિપુલ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરીને બિન-કિંમતી ધાતુના ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસ્ટ્સને ડિઝાઇન અને સંશ્લેષણ કરવા માટે નોંધપાત્ર પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે. સંક્રમણ મેટલ ઓક્સાઇડ્સ, સલ્ફાઇડ્સ, ફોસ્ફાઇડ્સ, કાર્બન સામગ્રી, સેલેનાઇડ્સ અને મિશ્ર-ધાતુના સંકુલનો વ્યાપકપણે અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે અને OER અને HER માટે આશાસ્પદ કામગીરી દર્શાવવામાં આવી છે. જો કે, આમાંના મોટા ભાગના ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસ્ટ્સને નોબલ મેટલ-આધારિત ઉત્પ્રેરક કરતાં વધુ ક્ષમતાની જરૂર હોય છે, અને તેમની સ્થિરતામાં સુધારો કરવો એ નિર્ણાયક રહે છે. તેથી, કાર્યક્ષમ પાણીના વિભાજન માટે ઉચ્ચ પ્રવૃત્તિ અને લાંબા ગાળાની સ્થિરતા સાથે ઓછા ખર્ચે અને કાર્યક્ષમ વૈકલ્પિક ઇલેક્ટ્રોડ માળખું વિકસાવવાની તાત્કાલિક જરૂર છે.

ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એપ્લિકેશનના ક્ષેત્રમાં, ઇલેક્ટ્રોડ્સ તૈયાર કરવા માટે બે મુખ્ય વ્યૂહરચનાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. પ્રથમ અને સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી તકનીકમાં પાવડર સ્વરૂપમાં ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ શામેલ છે. સામાન્ય રીતે, ઇલેક્ટ્રોડનું નિર્માણ ઇલેક્ટ્રોએક્ટિવ સામગ્રી, વાહકતા વધારનારા અને વાહક સબસ્ટ્રેટ પર એડહેસિવ્સના સ્લરીનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. જો કે, આ અભિગમ ખામીઓ વિના નથી. મુખ્ય ગેરલાભ એ ઇલેક્ટ્રિકલી ઇન્સ્યુલેટીંગ બાઈન્ડરની જરૂરિયાત છે, જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને ઉત્પ્રેરક વચ્ચેના સંપર્ક વિસ્તારને ઘટાડે છે. આ ઉત્પ્રેરક રીતે સક્રિય સાઇટ્સને અવરોધિત કરવા તરફ દોરી શકે છે, જેના પરિણામે ઉચ્ચ પ્રતિકાર થાય છે અને ઇલેક્ટ્રોકેટાલિટીક કામગીરીમાં ઘટાડો થાય છે. વધુમાં, ઇલેક્ટ્રોડ્સ પ્રમાણમાં અસ્થિર છે, કારણ કે જોડાયેલ ઉત્પ્રેરક ઉચ્ચ વર્તમાન ઘનતા પર વાહક સબસ્ટ્રેટમાંથી છાલનું વલણ ધરાવે છે. ઇલેક્ટ્રોડની તૈયારી માટેની બીજી મુખ્ય વ્યૂહરચના એ ઉમદા ધાતુ-આધારિત સામગ્રીનો ઉપયોગ છે જે સીધા વાહક સબસ્ટ્રેટ પર ઇલેક્ટ્રોડપોઝિટ થાય છે, જેમ કે નિકલ ફોમ, કોપર ફોઇલ, કાર્બન કાપડ અથવા કાગળ, FTO, સ્ટેનલેસ સ્ટીલ અને નિકલ ફોઇલ. જો કે, આ અભિગમ તેની મર્યાદાઓ વિના નથી. જમા થયેલ સક્રિય સામગ્રી વચ્ચે સુલભ જગ્યાને ચોક્કસપણે નિયંત્રિત કરવી મુશ્કેલ છે અને તેથી, અંદરની ઉત્પ્રેરક રીતે સક્રિય સાઇટ્સ માટે સબસ્ટ્રેટની અપ્રાપ્યતાને કારણે, ઇલેક્ટ્રોડની કામગીરી વધતી જતી ફિલ્મની જાડાઈ સાથે ઘટે છે. વધુમાં, પદ્ધતિની જટિલતા અને ઊંચી કિંમત તેના વ્યવહારિક ઉપયોગને મોટા પ્રમાણમાં અવરોધે છે. તેથી, માટે ખર્ચ-અસરકારક ફેબ્રિકેશન તકનીકોનો વિકાસત્રિ-પરિમાણીય (3D) ઇલેક્ટ્રોડ્સસફળ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એપ્લિકેશન માટે જરૂરી છે.

છિદ્રાળુ માળખાં અને ઉચ્ચ વિશિષ્ટ સપાટી વિસ્તારો સાથે નવા ત્રિ-પરિમાણીય ધાતુના વિકાસે આયન પ્રસરણ લંબાઈ ઘટાડવા અને આયનીય અને ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા વધારવાની તેમની સંભવિતતાને કારણે નોંધપાત્ર ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે. તેથી, ઉચ્ચ વાહકતા, વિશાળ સપાટી વિસ્તાર અને ઉચ્ચ સ્થિરતા પ્રદાન કરતા ઉત્પ્રેરક વાહકોના નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ સંયોજન બનાવવા માટે ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસ્ટ ડિઝાઇન માટે એક આશાસ્પદ દિશા એ વિવિધ માળખાકીય પરિમાણોને જોડવાનું છે.નિકલ ફીણ(NF), વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ અને સસ્તી સામગ્રી, તેના ઇચ્છનીય ત્રિ-પરિમાણીય ઓપન-પોર માળખું, ઉચ્ચ વિદ્યુત વાહકતા અને વિશાળ ચોક્કસ સપાટી વિસ્તારને કારણે ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી માટે સબસ્ટ્રેટ અને વાહક તરીકે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. માઇક્રોપોર્સ અને જેગ્ડ ફ્લો. NFs ની અંદરની ચેનલો એકમ વિસ્તાર દીઠ સારા માસ ટ્રાન્સફર અને વિશાળ સપાટી વિસ્તાર પણ પ્રદાન કરે છે. વિવિધ ધાતુના ફીણ, મેશ, ફોઇલ અને કાપડ સહિત વિવિધ સબસ્ટ્રેટને લિથિયમ-આયન બેટરી, સુપરકેપેસિટર્સ, સૌર કોષો અને પાણીના વિભાજન જેવા વિદ્યુતરાસાયણિક કાર્યક્રમો માટે સંગ્રાહક તરીકે શોધવામાં આવ્યા છે. ખાસ કરીને, છિદ્રાળુ NF એ તેમની ઓછી કિંમત, વિદ્યુત વાહકતા અને વિશાળ ઇલેક્ટ્રોએક્ટિવ સપાટી વિસ્તારને કારણે ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે, જે ઉત્પ્રેરક લોડ કરવા અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સક્રિય સાઇટ્સ વધારવા માટે આદર્શ છે. વધુમાં, છિદ્રાળુ NFs ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના સામૂહિક પરિવહનને વધારવામાં ફાયદા ધરાવે છે, જે તેમને ઉર્જા એપ્લિકેશનમાં ઉચ્ચ સપાટી વિસ્તાર વર્તમાન કલેક્ટર્સ માટે યોગ્ય ઉમેદવાર બનાવે છે. નિકલ ફોમ પર સક્રિય પદાર્થોની સીધી વૃદ્ધિ પણ પાણીની ક્રેકીંગ પ્રતિક્રિયાઓમાં કાર્યક્ષમ ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર માટે ઉત્પ્રેરક-સબસ્ટ્રેટ સંપર્કને વધારે છે. જ્યારે સુપરકેપેસિટર અને બેટરી ઇલેક્ટ્રોડ્સ NFs માટે મુખ્ય એપ્લિકેશન રહે છે, તાજેતરના અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે આ સામગ્રી પર જમા થયેલ ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીઓ Ni ફોઇલ્સ અને નેટ્સ કરતાં શ્રેષ્ઠ OER પ્રવૃત્તિ ધરાવે છે. આ સામગ્રીઓ તેમના કુદરતી સ્વરૂપમાં લાગુ કરી શકાય છે અથવા સક્રિય સામગ્રીથી સુશોભિત કરી શકાય છે, અને ફીણનો ઉપયોગ કલેક્ટર્સ અને સપોર્ટ સબસ્ટ્રેટ બંને તરીકે કરી શકાય છે. આમ, NF સબસ્ટ્રેટ્સ પર નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ, પૃથ્વી-સમૃદ્ધ ઉત્પ્રેરક સામગ્રીની વૃદ્ધિ ઊર્જા સંગ્રહ/રૂપાંતરણ ઉપકરણો માટે અદ્યતન ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના વિકાસ માટે વચન ધરાવે છે. નિકલ ફોમ પર સીધા ઉગાડવામાં આવતા પૃથ્વી-સમૃદ્ધ ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસ્ટ્સ સામાન્ય રીતે ઉપલબ્ધ હોવા છતાં, OERs અને HERs માટે નિકલ ફોમ પરના ત્રિ-પરિમાણીય ઇલેક્ટ્રોડની વ્યાપક તપાસ કરવામાં આવી નથી, જો કે તે છિદ્રાળુ અધિક્રમિક માળખાં છે જે ઓછા ખર્ચે અને બનાવટમાં સરળ છે.