ნანოსტრუქტურული მასალების გამოყენება სამგანზომილებიან ნიკელის ქაფიან მასალებზე, როგორც ელექტროკატალიზატორები წყლის კრეკისთვის

წიაღისეული საწვავის ამოწურვამ და მზარდმა შეშფოთებამ ენერგეტიკისა და გარემოსდაცვითი საკითხების მიმართ გამოიწვია ფართო კვლევის ძალისხმევა ალტერნატიული ენერგიის წყაროების განვითარების მიზნით.ელექტროქიმიური ელექტროლიზიწყალი ითვლება პერსპექტიულ სტრატეგიად წყალბადის საწვავის წარმოებისთვის. თუმცა, ეფექტური წყლის კრეკისთვის საჭიროა ეფექტური და გამძლე ელექტროკატალიზატორები, რომლებსაც შეუძლიათ დააჩქარონ ჟანგბადის ექსტრაქციის რეაქციის (OER) და წყალბადის ექსტრაქციის რეაქციის (HER) კინეტიკა. კეთილშობილი ლითონის შემცველი კატალიზატორები, როგორიცაა Pt და მისი შენადნობები, RuO2 და IrO2, ამჟამად ყველაზე ეფექტური კატალიზატორებია OER და HER-ის კატალიზებისთვის. თუმცა, კეთილშობილი ლითონების მაღალმა ღირებულებამ და დეფიციტმა შეაფერხა მათი ფართომასშტაბიანი გამოყენება და განახლებადი ენერგიის ტექნოლოგიების განვითარება. ამ შეზღუდვების დასაძლევად მნიშვნელოვანი ძალისხმევა გაკეთდა არაძვირფასი ლითონის ელექტროკატალიზატორების დაპროექტებისა და სინთეზის მიზნით, დედამიწაზე უხვად მასალების გამოყენებით, როგორც OER-ისა და OERHER-ის ეკონომიური ალტერნატივების სახით. გარდამავალი ლითონის ოქსიდები, სულფიდები, ფოსფიდები, ნახშირბადის მასალები, სელენიდები და შერეული ლითონის კომპლექსები ფართოდ იქნა შესწავლილი და აჩვენეს პერსპექტიული შესრულება OER-ისთვის და HER-ისთვის. თუმცა, ამ ელექტროკატალიზატორების უმეტესობა მოითხოვს უფრო მეტ პოტენციალს, ვიდრე კეთილშობილ ლითონზე დაფუძნებულ კატალიზატორებს, და მათი სტაბილურობის გაუმჯობესება გადამწყვეტი რჩება. აქედან გამომდინარე, გადაუდებელი აუცილებლობაა შეიმუშაოს იაფი და ეფექტური ალტერნატიული ელექტროდის სტრუქტურა მაღალი აქტივობით და გრძელვადიანი სტაბილურობით წყლის ეფექტური გაყოფისთვის.

ელექტროქიმიური გამოყენების სფეროშიელექტროდების მოსამზადებლად გამოყენებულია ორი ძირითადი სტრატეგია. პირველი და ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ტექნიკა მოიცავს კატალიზატორების გამოყენებას ფხვნილის სახით. როგორც წესი, ელექტროდები აგებულია ელექტროაქტიური მასალების, გამტარობის გამაძლიერებლების და ადჰეზივების გამოყენებით გამტარ სუბსტრატებზე. თუმცა, ეს მიდგომა არ არის ნაკლოვანებების გარეშე. მთავარი მინუსი არის ელექტრული საიზოლაციო შემკვრელის მოთხოვნა, რომელიც ამცირებს ელექტროლიტსა და კატალიზატორს შორის კონტაქტურ ზონას. ამან შეიძლება გამოიწვიოს კატალიზურად აქტიური უბნების დაბლოკვა, რაც გამოიწვევს მაღალი წინააღმდეგობის და ელექტროკატალიტიკური მუშაობის დაქვეითებას. გარდა ამისა, ელექტროდები შედარებით არამდგრადია, რადგან მიმაგრებული კატალიზატორი მიდრეკილია გამტარ სუბსტრატიდან მოშორებას დენის მაღალი სიმკვრივით. ელექტროდის მომზადების მეორე მთავარი სტრატეგია არის კეთილშობილური ლითონზე დაფუძნებული მასალების გამოყენება, რომლებიც ელექტროდეპონირდება პირდაპირ გამტარ სუბსტრატზე, როგორიცაა ნიკელის ქაფი, სპილენძის კილიტა, ნახშირბადის ქსოვილი ან ქაღალდი, FTO, უჟანგავი ფოლადი და ნიკელის კილიტა. თუმცა, ეს მიდგომა არ არის თავისი შეზღუდვების გარეშე. ძნელია ზუსტად აკონტროლო ხელმისაწვდომი სივრცე დეპონირებულ აქტიურ მასალებს შორის და, შესაბამისად, ელექტროდის მოქმედება მცირდება ფირის სისქის მატებასთან ერთად, სუბსტრატის მიუწვდომლობის გამო კატალიზურად აქტიურ ადგილებზე შიგნით. გარდა ამისა, მეთოდის სირთულე და მაღალი ღირებულება მნიშვნელოვნად აფერხებს მის პრაქტიკულ გამოყენებას. აქედან გამომდინარე, შემუშავება ეფექტური ფაბრიკაციის ტექნიკასამგანზომილებიანი (3D) ელექტროდებიაუცილებელია წარმატებული ელექტროქიმიური გამოყენებისთვის.

ახალი სამგანზომილებიანი მეტალის მასალების შემუშავებამ ფოროვანი სტრუქტურებით და მაღალი სპეციფიური ზედაპირის ფართობებით მნიშვნელოვანი ყურადღება მიიპყრო მათი პოტენციალის გამო, შეამცირონ იონური დიფუზიის სიგრძე და გაზარდონ იონური და ელექტრონული გამტარობა. ამიტომ, ელექტროკატალიზატორის დიზაინის პერსპექტიული მიმართულებაა სხვადასხვა სტრუქტურული ზომების გაერთიანება, რათა შეიქმნას კატალიზატორის ნანოსტრუქტურული კომპოზიტი, რომელიც უზრუნველყოფს მაღალ გამტარობას, დიდ ზედაპირს და მაღალ სტაბილურობას.ნიკელის ქაფი(NF), კომერციულად ხელმისაწვდომი და იაფი მასალა, ფართოდ გამოიყენებოდა ელექტროდული მასალების სუბსტრატად და გადამზიდავად მისი სასურველი სამგანზომილებიანი ღია ფორების სტრუქტურის, მაღალი ელექტრული გამტარობისა და დიდი სპეციფიური ზედაპირის გამო. მიკროფორები და დაკბილული ნაკადი. არხები NF-ებში ასევე უზრუნველყოფენ მასის კარგ გადაცემას და ფართო ზედაპირის ფართობს ერთეულზე. სხვადასხვა სუბსტრატები, მათ შორის სხვადასხვა ლითონის ქაფი, ბადეები, კილიტა და ქსოვილები, შესწავლილი იქნა როგორც კოლექტორები ელექტროქიმიური აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა ლითიუმ-იონური ბატარეები, სუპერკონდენსატორები, მზის უჯრედები და წყლის გაყოფა. კერძოდ, ფოროვანმა NF-ებმა მიიპყრეს ყურადღება მათი დაბალი ღირებულების, ელექტრული გამტარობისა და დიდი ელექტროაქტიური ზედაპირის გამო, რაც იდეალურია კატალიზატორების ჩატვირთვისა და ელექტროქიმიური აქტიური ადგილების გაზრდისთვის. გარდა ამისა, ფოროვან NF-ებს აქვთ უპირატესობა ელექტროლიტების მასობრივი ტრანსპორტირების გაძლიერებაში, რაც მათ შესაფერის კანდიდატებად აქცევს მაღალი ზედაპირის დენის კოლექტორებისთვის ენერგეტიკულ პროგრამებში. აქტიური მასალების პირდაპირი ზრდა ნიკელის ქაფზე ასევე აძლიერებს კატალიზატორ-სუბსტრატის კონტაქტს წყლის კრეკინგის რეაქციებში ელექტრონის ეფექტური გადაცემისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ სუპერკონდენსატორი და ბატარეის ელექტროდები რჩება NF-ების მთავარ აპლიკაციებად, ბოლო კვლევებმა აჩვენა, რომ ამ მასალაზე დეპონირებული ელექტროდების მასალებს აქვთ უმაღლესი OER აქტივობა, ვიდრე Ni ფოლგები და ბადეები. ამ მასალების გამოყენება შესაძლებელია როგორც ბუნებრივი ფორმით, ასევე აქტიური მასალებით გაფორმებული, ხოლო ქაფი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც კოლექტორად, ასევე დამხმარე სუბსტრატად. ამგვარად, ნანოსტრუქტურული, მიწით მდიდარი კატალიზური მასალის ზრდა NF სუბსტრატებზე იძლევა დაპირებას ენერგიის შესანახი/კონვერტაციის მოწყობილობებისთვის მოწინავე ელექტროდების მასალების შემუშავებისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვეულებრივ ხელმისაწვდომია მიწით მდიდარი ელექტროკატალიზატორები, რომლებიც უშუალოდ ნიკელის ქაფზეა მოყვანილი, სამგანზომილებიანი ელექტროდები ნიკელის ქაფზე OER-ებისთვის და HER-ებისთვის არ არის ფართოდ გამოკვლეული, თუმცა ისინი წარმოადგენენ ფოროვან იერარქიულ სტრუქტურებს, რომლებიც იაფი და ადვილად დასამზადებელია.