שימוש בחומרים בננו על חומרי קצף ניקל תלת מימדיים כזרזים חשמליים לפיצוח מים

דלדול הדלקים המאובנים והחששות הגוברים בנושאי אנרגיה וסביבה הובילו למאמצי מחקר נרחבים לפיתוח מקורות אנרגיה חלופיים.אלקטרוליזה אלקטרוכימיתשל מים נחשבת לאסטרטגיה מבטיחה לייצור דלק מימן. עם זאת, פיצוח מים יעיל דורש אלקטרו-זרזים יעילים ועמידים שיכולים להאיץ את הקינטיקה של תגובת מיצוי חמצן (OER) ותגובת מימן-חילוץ (HER). זרזים המכילים מתכת אצילה, כגון Pt וסגסוגותיו, RuO2 ו-IrO2, הם כיום הזרזים היעילים ביותר לזרז OER ו-HER. עם זאת, העלות הגבוהה והמחסור של מתכות אצילות הפריעו ליישומן בקנה מידה גדול ולפיתוח טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת. כדי להתגבר על מגבלות אלו, נעשו מאמצים ניכרים לתכנן ולסנתז אלקטרו-זרזים ממתכת לא יקרה תוך שימוש בחומרים עתירי אדמה כחלופות חסכוניות ל-OER ו-OERHER. תחמוצות מתכת מעבר, סולפידים, פוספידים, חומרי פחמן, סלנידים ומתחמי מתכת מעורבים נחקרו בהרחבה והראו ביצועים מבטיחים עבור OER ו-HER. עם זאת, רוב הזרזים האלקטרוניים הללו דורשים פוטנציאל יתר גבוה יותר מאשר זרזים מבוססי מתכת אצילה, ושיפור היציבות שלהם נותר חיוני. לכן, קיים צורך דחוף בפיתוח מבנה אלקטרודה חלופי זול ויעיל בעל פעילות גבוהה ויציבות ארוכת טווח לפיצול מים יעיל.

בתחום יישומים אלקטרוכימיים, שתי אסטרטגיות עיקריות שימשו להכנת אלקטרודות. הטכניקה הראשונה והנפוצה ביותר כוללת שימוש בזרזים בצורת אבקה. בדרך כלל, אלקטרודות בנויות על ידי ניצול תמיסות של חומרים אלקטרואקטיביים, משפרי מוליכות ודבקים על מצעים מוליכים. עם זאת, גישה זו אינה חפה מחסרונות. החיסרון העיקרי הוא הדרישה לקלסר מבודד חשמלי, שמקטין את שטח המגע בין האלקטרוליט לזרז. זה עלול להוביל לחסימת האתרים הפעילים קטליטית, וכתוצאה מכך התנגדות גבוהה וביצועים אלקטרוקטליטיים מופחתים. בנוסף, האלקטרודות אינן יציבות יחסית, שכן הזרז המחובר נוטה להתקלף מהמצע המוליך בצפיפות זרם גבוהה. האסטרטגיה העיקרית השנייה להכנת אלקטרודות היא שימוש בחומרים מבוססי מתכת אצילה המופקדים ישירות על גבי המצע המוליך, כגון קצף ניקל, רדיד נחושת, בד פחמן או נייר, FTO, נירוסטה וניקל. עם זאת, גישה זו אינה חפה ממגבלותיה. קשה לשלוט במדויק על החלל הנגיש בין החומרים הפעילים שהופקדו, ולכן, ביצועי האלקטרודה פוחתים עם הגדלת עובי הסרט עקב חוסר הנגישות של המצע לאתרים הפעילים קטליטית בפנים. בנוסף, המורכבות והעלות הגבוהה של השיטה מעכבות מאוד את היישום המעשי שלה. לכן, פיתוח טכניקות ייצור חסכוניות עבוראלקטרודות תלת מימדיות (3D).הכרחי ליישומים אלקטרוכימיים מוצלחים.

הפיתוח של חומרים מתכתיים תלת מימדיים חדשים עם מבנים נקבוביים ושטחי פנים ספציפיים גבוהים משך תשומת לב רבה בשל הפוטנציאל שלהם להפחית את אורך דיפוזיית היונים ולהגדיל מוליכות יונית ואלקטרונית. לכן, כיוון מבטיח לתכנון אלקטרו-זרזים הוא שילוב ממדים מבניים שונים על מנת ליצור קומפוזיט ננו-מבנה של נושאי זרז המספקים מוליכות גבוהה, שטח פנים גדול ויציבות גבוהה.קצף ניקל(NF), חומר זמין מסחרית וזול, נמצא בשימוש נרחב כמצע וכנשא לחומרי אלקטרודה בשל המבנה הרצוי שלו בעל נקבוביות תלת-ממדיות, מוליכות חשמלית גבוהה ושטח פנים ספציפי גדול. המיקרו-נקבים והזרימה המשוננת תעלות בתוך ה-NFs מספקות גם העברת מסה טובה ושטח פנים גדול ליחידת שטח. מצעים שונים, כולל קצפי מתכת שונים, רשתות, נייר כסף ובדים, נחקרו כקולטים ליישומים אלקטרוכימיים כגון סוללות ליתיום-יון, קבלי-על, תאים סולאריים ופיצול מים. בפרט, NFs נקבוביים משכו תשומת לב בשל העלות הנמוכה שלהם, מוליכות חשמלית ושטח פנים אלקטרואקטיבי גדול, שהוא אידיאלי להעמסת זרזים והגדלת אתרים פעילים אלקטרוכימיים. בנוסף, ל-NF נקבוביים יש יתרונות בשיפור ההובלה ההמונית של אלקטרוליטים, מה שהופך אותם למועמדים מתאימים לאספני זרם בעלי שטח פנים גבוה ביישומי אנרגיה. צמיחה ישירה של חומרים פעילים על קצף ניקל משפרת גם מגע זרז-מצע להעברת אלקטרונים יעילה בתגובות פיצוח מים. בעוד שקבלי-על ואלקטרודות סוללה נותרו היישומים העיקריים עבור NFs, מחקרים עדכניים הראו כי לחומרי אלקטרודה המופקדים על חומר זה יש פעילות OER עדיפה על רדידי Ni ורשתות. ניתן ליישם חומרים אלו בצורתם הטבעית או לעטר בחומרים פעילים, והקצף יכול לשמש הן כקולטים והן כמצעים תומכים. לפיכך, הצמיחה של חומר קטליטי בעל ננו-מבנה עשיר באדמה על מצעי NF טומנת בחובה הבטחה לפיתוח חומרי אלקטרודה מתקדמים להתקני אחסון/המרת אנרגיה. למרות שזמינים בדרך כלל אלקטרו-זרזים עשירים באדמה הגדלים ישירות על קצף ניקל, אלקטרודות תלת-ממדיות על קצף ניקל עבור OERs ו-HERs לא נחקרו בהרחבה, אם כי מדובר במבנים היררכיים נקבוביים שהם בעלות נמוכה וקלים לייצור.