Korištenje nanostrukturnih materijala na trodimenzionalnim pjenastim materijalima od nikla kao elektrokatalizatora za krekiranje vode

Smanjenje fosilnih goriva i rastuća zabrinutost oko energetskih i ekoloških pitanja doveli su do opsežnih istraživačkih napora za razvoj alternativnih izvora energije.Elektrokemijska elektrolizavode smatra se strategijom koja obećava za proizvodnju vodikovog goriva. Međutim, učinkovito krekiranje vode zahtijeva učinkovite i izdržljive elektrokatalizatore koji mogu ubrzati kinetiku reakcije ekstrakcije kisika (OER) i reakcije ekstrakcije vodika (HER). Katalizatori koji sadrže plemenite metale, kao što su Pt i njegove legure, RuO2 i IrO2, trenutno su najučinkovitiji katalizatori za kataliziranje OER i HER. Međutim, visoka cijena i nestašica plemenitih metala spriječili su njihovu široku primjenu i razvoj tehnologija obnovljivih izvora energije. Kako bi se prevladala ova ograničenja, uloženi su znatni napori da se dizajniraju i sintetiziraju elektrokatalizatori koji nisu od plemenitih metala koristeći materijale koji obiluju zemljom kao ekonomične alternative OER-u i OERHER-u. Prijelazni metalni oksidi, sulfidi, fosfidi, ugljični materijali, selenidi i kompleksi miješanih metala opsežno su proučavani i pokazali su obećavajuću učinkovitost za OER i HER. Međutim, većina ovih elektrokatalizatora zahtijeva veće prenapone od katalizatora na bazi plemenitih metala, a poboljšanje njihove stabilnosti i dalje je ključno. Stoga postoji hitna potreba za razvojem jeftine i učinkovite alternativne elektrodne strukture s visokom aktivnošću i dugotrajnom stabilnošću za učinkovito cijepanje vode.

U području elektrokemijskih primjenadvije su glavne strategije korištene za pripremu elektroda. Prva i najčešće korištena tehnika uključuje upotrebu katalizatora u obliku praha. Tipično, elektrode se konstruiraju korištenjem suspenzija elektroaktivnih materijala, pojačivača vodljivosti i ljepila na vodljivim podlogama. Međutim, ovaj pristup nije bez nedostataka. Glavni nedostatak je zahtjev za elektroizolacijskim vezivom, koje smanjuje kontaktnu površinu između elektrolita i katalizatora. To može dovesti do blokiranja katalitički aktivnih mjesta, što rezultira visokim otporom i smanjenim elektrokatalitičkim djelovanjem. Osim toga, elektrode su relativno nestabilne, budući da se pričvršćeni katalizator nastoji odlijepiti od vodljivog supstrata pri velikim gustoćama struje. Druga glavna strategija za pripremu elektroda je upotreba materijala na bazi plemenitih metala koji se elektrodeponiraju izravno na vodljivi supstrat, kao što su pjena od nikla, bakrena folija, karbonska tkanina ili papir, FTO, nehrđajući čelik i folija od nikla. Međutim, ovaj pristup nije bez ograničenja. Teško je precizno kontrolirati dostupni prostor između nataloženih aktivnih materijala i, prema tome, učinkovitost elektrode se smanjuje s povećanjem debljine filma zbog nedostupnosti supstrata katalitički aktivnim mjestima unutra. Osim toga, složenost i visoka cijena metode uvelike otežava njezinu praktičnu primjenu. Stoga, razvoj isplativih tehnika izrade zatrodimenzionalne (3D) elektrodeje neophodan za uspješne elektrokemijske primjene.

Razvoj novih trodimenzionalnih metalnih materijala s poroznom strukturom i visokim specifičnim površinama privukao je značajnu pozornost zbog njihovog potencijala da smanje duljinu difuzije iona i povećaju ionsku i elektronsku vodljivost. Stoga je smjer koji obećava za dizajn elektrokatalizatora kombiniranje različitih strukturnih dimenzija kako bi se stvorio nanostrukturirani kompozit nosača katalizatora koji osigurava visoku vodljivost, veliku površinu i visoku stabilnost.Pjena od nikla(NF), komercijalno dostupan i jeftin materijal, naširoko se koristi kao supstrat i nosač za materijale elektroda zbog svoje poželjne trodimenzionalne strukture otvorenih pora, visoke električne vodljivosti i velike specifične površine. Mikropore i nazubljen protok kanali unutar NF također pružaju dobar prijenos mase i veliku površinu po jedinici površine. Različiti supstrati, uključujući različite metalne pjene, mreže, folije i tkanine, istraženi su kao kolektori za elektrokemijske primjene kao što su litij-ionske baterije, superkondenzatori, solarne ćelije i razdvajanje vode. Posebno su porozni NF privukli pozornost zbog svoje niske cijene, električne vodljivosti i velike elektroaktivne površine, što je idealno za punjenje katalizatora i povećanje elektrokemijskih aktivnih mjesta. Osim toga, porozni NF imaju prednosti u poboljšanju prijenosa mase elektrolita, što ih čini prikladnim kandidatima za kolektore struje velike površine u energetskim aplikacijama. Izravan rast aktivnih materijala na pjeni nikla također poboljšava kontakt katalizatora i supstrata za učinkovit prijenos elektrona u reakcijama krekiranja vode. Dok superkondenzatorske i baterijske elektrode ostaju glavne primjene za NF, nedavne studije su pokazale da materijali elektroda naneseni na ovaj materijal imaju bolju OER aktivnost od Ni folija i mreža. Ovi materijali se mogu nanositi u svom prirodnom obliku ili ukrašeni aktivnim materijalima, a pjene se mogu koristiti i kao kolektori i kao potporne podloge. Stoga, rast nanostrukturiranog katalitičkog materijala bogatog zemljom na NF supstratima obećava razvoj naprednih materijala elektroda za uređaje za pohranu/pretvorbu energije. Iako su elektrokatalizatori bogati zemljom uzgojeni izravno na pjeni nikla obično dostupni, trodimenzionalne elektrode na pjeni nikla za OER i HER nisu opsežno istražene, iako su porozne hijerarhijske strukture koje su jeftine i lake za izradu.