Նանոկառուցվածքային նյութերի օգտագործումը եռաչափ նիկելային փրփուր նյութերի վրա՝ որպես ջրի ճաքման էլեկտրակատալիզատորներ

Հանածո վառելիքի սպառումը և էներգիայի և բնապահպանական խնդիրների վերաբերյալ աճող մտահոգությունները հանգեցրել են այլընտրանքային էներգիայի աղբյուրների զարգացմանն ուղղված լայնածավալ հետազոտական ​​ջանքերի:Էլեկտրաքիմիական էլեկտրոլիզջուրը համարվում է ջրածնային վառելիքի արտադրության հեռանկարային ռազմավարություն: Այնուամենայնիվ, արդյունավետ ջրի ճեղքումը պահանջում է արդյունավետ և դիմացկուն էլեկտրակատալիզատորներ, որոնք կարող են արագացնել թթվածնի արդյունահանման ռեակցիայի (OER) և ջրածնի արդյունահանման ռեակցիայի (HER) կինետիկան: Ազնիվ մետաղ պարունակող կատալիզատորները, ինչպիսիք են Pt-ը և դրա համաձուլվածքները՝ RuO2 և IrO2, ներկայումս OER և HER կատալիզացման ամենաարդյունավետ կատալիզատորներն են: Այնուամենայնիվ, ազնիվ մետաղների բարձր արժեքը և սակավությունը խոչընդոտել են դրանց լայնածավալ կիրառմանը և վերականգնվող էներգիայի տեխնոլոգիաների զարգացմանը։ Այս սահմանափակումները հաղթահարելու համար զգալի ջանքեր են գործադրվել ոչ թանկարժեք մետաղների էլեկտրակատալիզատորների նախագծման և սինթեզման համար՝ օգտագործելով երկրագնդի առատ նյութերը՝ որպես OER-ի և OERHER-ի տնտեսական այլընտրանքներ: Անցումային մետաղների օքսիդները, սուլֆիդները, ֆոսֆիդները, ածխածնային նյութերը, սելենիդները և խառը մետաղների համալիրները լայնորեն ուսումնասիրվել են և խոստումնալից արդյունավետություն են ցուցաբերել OER-ի և HER-ի համար: Այնուամենայնիվ, այս էլեկտրակատալիզատորներից շատերը պահանջում են ավելի բարձր գերպոտենցիալներ, քան ազնիվ մետաղների վրա հիմնված կատալիզատորները, և դրանց կայունության բարելավումը մնում է կարևոր: Հետևաբար, հրատապ անհրաժեշտություն կա մշակելու էժան և արդյունավետ այլընտրանքային էլեկտրոդային կառուցվածք՝ բարձր ակտիվությամբ և երկարաժամկետ կայունությամբ՝ ջրի արդյունավետ պառակտման համար:

Էլեկտրաքիմիական կիրառությունների բնագավառում, էլեկտրոդների պատրաստման համար օգտագործվել է երկու հիմնական ռազմավարություն. Առաջին և ամենատարածված տեխնիկան ներառում է կատալիզատորների օգտագործումը փոշու տեսքով: Սովորաբար, էլեկտրոդները կառուցվում են էլեկտրաակտիվ նյութերի, հաղորդունակության ուժեղացուցիչների և սոսինձների օգտագործմամբ հաղորդիչ ենթաշերտերի վրա: Այնուամենայնիվ, այս մոտեցումը զերծ չէ թերություններից: Հիմնական թերությունը էլեկտրամեկուսիչ կապի պահանջն է, որը նվազեցնում է էլեկտրոլիտի և կատալիզատորի միջև շփման տարածքը: Սա կարող է հանգեցնել կատալիտիկորեն ակտիվ տեղամասերի արգելափակման, ինչը հանգեցնում է բարձր դիմադրության և էլեկտրակատալիտիկ աշխատանքի նվազեցման: Բացի այդ, էլեկտրոդները համեմատաբար անկայուն են, քանի որ կցված կատալիզատորը հակված է պոկվել հաղորդիչ հիմքից հոսանքի բարձր խտության դեպքում: Էլեկտրոդների պատրաստման երկրորդ հիմնական ռազմավարությունը ազնիվ մետաղի վրա հիմնված նյութերի օգտագործումն է, որոնք էլեկտրոդոնցվում են անմիջապես հաղորդիչ հիմքի վրա, ինչպիսիք են նիկելի փրփուրը, պղնձե փայլաթիթեղը, ածխածնային կտորը կամ թուղթը, FTO, չժանգոտվող պողպատը և նիկելային փայլաթիթեղը: Այնուամենայնիվ, այս մոտեցումը զերծ չէ իր սահմանափակումներից: Դժվար է ճշգրիտ վերահսկել տեղավորված ակտիվ նյութերի միջև հասանելի տարածությունը, և, հետևաբար, էլեկտրոդի աշխատանքը նվազում է թաղանթի հաստության աճի հետ՝ հիմքի անմատչելիության պատճառով ներսի կատալիտիկ ակտիվ վայրերում: Բացի այդ, մեթոդի բարդությունն ու բարձր արժեքը մեծապես խոչընդոտում են դրա գործնական կիրառմանը: Հետևաբար, արտադրության համար ծախսարդյունավետ տեխնիկայի մշակումըեռաչափ (3D) էլեկտրոդներանհրաժեշտ է հաջող էլեկտրաքիմիական կիրառման համար:

Ծակոտկեն կառուցվածքներով և բարձր հատուկ մակերեսով մետաղական նոր եռաչափ նյութերի մշակումը զգալի ուշադրություն է գրավել իոնների դիֆուզիայի երկարությունը նվազեցնելու և իոնային և էլեկտրոնային հաղորդունակությունը մեծացնելու ներուժի շնորհիվ: Հետևաբար, էլեկտրակատալիզատորի նախագծման խոստումնալից ուղղությունը տարբեր կառուցվածքային չափսերի համատեղումն է, որպեսզի ստեղծվի կատալիզատորների նանոկառուցվածքային կոմպոզիտ, որն ապահովում է բարձր հաղորդունակություն, մեծ մակերես և բարձր կայունություն:Նիկելի փրփուր(NF), առևտրային մատչելի և էժան նյութ, լայնորեն օգտագործվում է որպես էլեկտրոդային նյութերի հիմք և կրող՝ շնորհիվ իր ցանկալի եռաչափ բաց ծակոտկեն կառուցվածքի, բարձր էլեկտրական հաղորդունակության և մեծ հատուկ մակերեսի։ NF-ների ներսում ալիքները նաև ապահովում են լավ զանգվածի փոխանցում և մեծ մակերես մեկ միավորի մակերեսով: Տարբեր ենթաշերտեր, ներառյալ տարբեր մետաղական փրփուրներ, ցանցեր, փայլաթիթեղներ և գործվածքներ, ուսումնասիրվել են որպես էլեկտրաքիմիական կիրառությունների կոլեկտորներ, ինչպիսիք են լիթիում-իոնային մարտկոցները, գերկոնդենսատորները, արևային բջիջները և ջրի պառակտումը: Մասնավորապես, ծակոտկեն NF-ները ուշադրություն են գրավել իրենց ցածր գնով, էլեկտրական հաղորդունակությամբ և մեծ էլեկտրաակտիվ մակերեսով, ինչը իդեալական է կատալիզատորների բեռնման և էլեկտրաքիմիական ակտիվ տեղամասերի ավելացման համար: Բացի այդ, ծակոտկեն NF-ները առավելություններ ունեն էլեկտրոլիտների զանգվածային փոխադրման ուժեղացման հարցում՝ դրանք դարձնելով համապատասխան թեկնածուներ էներգիայի կիրառման մեջ բարձր մակերեսով հոսանքի կոլեկտորների համար: Նիկելի փրփուրի վրա ակտիվ նյութերի ուղղակի աճը նաև ուժեղացնում է կատալիզատոր-սուբստրատի շփումը ջրի ճաքման ռեակցիաներում էլեկտրոնների արդյունավետ փոխանցման համար: Թեև գերկոնդենսատորները և մարտկոցների էլեկտրոդները մնում են NF-ների հիմնական կիրառությունները, վերջին ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ այս նյութի վրա դրված էլեկտրոդների նյութերն ունեն ավելի բարձր OER ակտիվություն, քան Ni փայլաթիթեղներն ու ցանցերը: Այս նյութերը կարող են կիրառվել կա՛մ բնական տեսքով, կա՛մ զարդարված ակտիվ նյութերով, իսկ փրփուրները կարող են օգտագործվել և՛ որպես կոլեկցիոներ, և՛ որպես օժանդակ ենթաշերտեր: Այսպիսով, նանոկառուցվածքով, հողով հարուստ կատալիտիկ նյութի աճը NF սուբստրատների վրա խոստումնալից է էներգիայի պահպանման/փոխակերպման սարքերի համար առաջադեմ էլեկտրոդային նյութերի մշակման համար: Թեև նիկելային փրփուրի վրա աճեցված հողով հարուստ էլեկտրակատալիզատորները սովորաբար հասանելի են, նիկելային փրփուրի վրա եռաչափ էլեկտրոդներ OER-ների և HER-ների համար լայնածավալ ուսումնասիրված չեն, թեև դրանք ծակոտկեն հիերարխիկ կառուցվածքներ են, որոնք ցածր գնով և հեշտ են արտադրվում: