Nanostrukturált anyagok felhasználása háromdimenziós nikkelhab anyagokon elektrokatalizátorként vízrepedéshez

A fosszilis tüzelőanyagok kimerülése és az energia- és környezetvédelmi problémákkal kapcsolatos növekvő aggodalmak széleskörű kutatási erőfeszítésekhez vezettek az alternatív energiaforrások kifejlesztésére.Elektrokémiai elektrolízisA vízfogyasztás ígéretes stratégiának számít a hidrogén-üzemanyag-előállítás terén. A hatékony vizes krakkoláshoz azonban hatékony és tartós elektrokatalizátorokra van szükség, amelyek felgyorsítják az oxigén-extrakciós reakció (OER) és a hidrogén-extrakciós reakció (HER) kinetikáját. A nemesfém-tartalmú katalizátorok, mint például a Pt és ötvözetei, a RuO2 és IrO2, jelenleg a leghatékonyabb katalizátorok az OER és a HER katalizálására. A nemesfémek magas ára és szűkössége azonban hátráltatta széleskörű alkalmazásukat és a megújuló energiatechnológiák fejlesztését. E korlátok leküzdése érdekében jelentős erőfeszítéseket tettek a nem nemesfém elektrokatalizátorok tervezése és szintetizálása érdekében, földben gazdag anyagok felhasználásával az OER és az OERHER gazdaságos alternatívájaként. Az átmeneti fém-oxidokat, szulfidokat, foszfidokat, szénanyagokat, szelenideket és kevert fémkomplexeket alaposan tanulmányozták, és ígéretes teljesítményt mutattak az OER és a HER esetében. A legtöbb ilyen elektrokatalizátor azonban nagyobb túlpotenciált igényel, mint a nemesfém alapú katalizátorok, és stabilitásuk javítása továbbra is kulcsfontosságú. Ezért sürgősen szükség van egy alacsony költségű és hatékony alternatív elektródaszerkezet kifejlesztésére, amely nagy aktivitással és hosszú távú stabilitással rendelkezik a hatékony vízhasítás érdekében.

Az elektrokémiai alkalmazások területén, két fő stratégiát alkalmaztak az elektródák előkészítésére. Az első és legszélesebb körben alkalmazott technika por alakú katalizátorok felhasználását jelenti. Az elektródákat jellemzően elektroaktív anyagok, vezetőképesség-fokozók és ragasztók felhasználásával készítik vezetőképes hordozókon. Ez a megközelítés azonban nem mentes a hátrányoktól. A fő hátrány az elektromosan szigetelő kötőanyag szükségessége, amely csökkenti az elektrolit és a katalizátor érintkezési felületét. Ez a katalitikusan aktív helyek blokkolásához vezethet, ami nagy ellenállást és csökkent elektrokatalitikus teljesítményt eredményez. Ezen túlmenően az elektródák viszonylag instabilok, mivel a csatlakoztatott katalizátor hajlamos leválni a vezető hordozóról nagy áramsűrűség esetén. Az elektródák előkészítésének második fő stratégiája a nemesfém alapú anyagok használata, amelyeket közvetlenül a vezetőképes hordozóra helyeznek fel, mint például a nikkelhab, rézfólia, szénszövet vagy papír, FTO, rozsdamentes acél és nikkelfólia. Ez a megközelítés azonban nem mentes a korlátoktól. Nehéz pontosan szabályozni a felhordott aktív anyagok közötti hozzáférhető teret, ezért az elektróda teljesítménye csökken a filmvastagság növekedésével, mivel a hordozó nem érhető el a benne lévő katalitikusan aktív helyekhez. Emellett a módszer bonyolultsága és magas költsége nagyban akadályozza a gyakorlati alkalmazását. Ezért költséghatékony gyártási technikák fejlesztéseháromdimenziós (3D) elektródákszükséges a sikeres elektrokémiai alkalmazásokhoz.

A porózus szerkezetű és nagy fajlagos felületű új, háromdimenziós fémes anyagok kifejlesztése jelentős figyelmet kapott, mivel képesek csökkenteni az iondiffúziós hosszt és növelni az ionos és elektronikus vezetőképességet. Ezért az elektrokatalizátor tervezésének ígéretes iránya a különböző szerkezeti méretek kombinálása, hogy nanoszerkezetű katalizátorhordozó-kompozitot hozzunk létre, amely nagy vezetőképességet, nagy felületet és nagy stabilitást biztosít.Nikkel habAz (NF) egy kereskedelmi forgalomban kapható és olcsó anyag, amelyet széles körben használnak elektródaanyagok szubsztrátumaként és hordozójaként kívánatos háromdimenziós nyitott pórusú szerkezete, nagy elektromos vezetőképessége és nagy fajlagos felülete miatt. A mikropórusok és a szaggatott áramlás az NF-eken belüli csatornák is jó tömegátvitelt és nagy területegységre jutó felületet biztosítanak. Különféle szubsztrátumokat, köztük különböző fémhabokat, hálókat, fóliákat és szöveteket vizsgáltak gyűjtőkként elektrokémiai alkalmazásokhoz, például lítium-ion akkumulátorokhoz, szuperkondenzátorokhoz, napelemekhez és vízhasításhoz. Különösen a porózus NF-ek keltették fel a figyelmet alacsony költségük, elektromos vezetőképességük és nagy elektroaktív felületük miatt, amely ideális a katalizátorok betöltésére és az elektrokémiai aktív helyek növelésére. Ezen túlmenően a porózus NF-ek előnyökkel járnak az elektrolitok tömegtranszportjának fokozásában, így alkalmas jelöltek a nagy felületű áramkollektorok számára az energetikai alkalmazásokban. Az aktív anyagok közvetlen növekedése a nikkelhabon szintén javítja a katalizátor-szubsztrát érintkezést a hatékony elektronátvitel érdekében a vízben történő krakkolási reakciókban. Míg a szuperkondenzátor- és akkumulátorelektródák továbbra is az NF-ek fő alkalmazási területei, a legújabb tanulmányok kimutatták, hogy az erre az anyagra felvitt elektródaanyagok jobb OER aktivitással rendelkeznek, mint a Ni-fóliák és -hálók. Ezek az anyagok akár természetes formájukban, akár aktív anyagokkal díszítve alkalmazhatók, a habok gyűjtőként és hordozóként is használhatók. Így egy nanostrukturált, földben gazdag katalitikus anyag NF szubsztrátumokon való növekedése ígéretet jelent az energiatároló/konverziós eszközök fejlett elektródaanyagok kifejlesztéséhez. Bár általánosan elérhetőek a közvetlenül nikkelhabon termesztett, földben gazdag elektrokatalizátorok, a háromdimenziós nikkelhabon használt OER-ek és HER-ek elektródáit nem vizsgálták alaposan, bár ezek porózus hierarchikus szerkezetek, amelyek olcsók és könnyen előállíthatók.