Nanostruktūrinių medžiagų panaudojimas trimatėms nikelio putplasčio medžiagoms kaip elektrokatalizatoriams skilinėjant vandenyje

Dėl iškastinio kuro išeikvojimo ir didėjančio susirūpinimo energijos ir aplinkosaugos klausimais buvo imtasi daug mokslinių tyrimų, siekiant sukurti alternatyvius energijos šaltinius.Elektrocheminė elektrolizėvandens kiekis yra laikomas perspektyvia vandenilio kuro gamybos strategija. Tačiau efektyviam vandens krekingui reikia veiksmingų ir patvarių elektrokatalizatorių, galinčių pagreitinti deguonies ištraukimo reakcijos (OER) ir vandenilio ekstrahavimo reakcijos (HER) kinetiką. Tauriųjų metalų turintys katalizatoriai, tokie kaip Pt ir jo lydiniai, RuO2 ir IrO2, šiuo metu yra efektyviausi katalizatoriai OER ir HER katalizavimui. Tačiau brangioji tauriųjų metalų kaina ir trūkumas trukdė juos plačiai pritaikyti ir plėtoti atsinaujinančios energijos technologijas. Siekiant įveikti šiuos apribojimus, buvo dedamos didelės pastangos kuriant ir sintetinant nebrangiųjų metalų elektrokatalizatorius, naudojant žemėje gausias medžiagas kaip ekonomiškas alternatyvas OER ir OERHER. Pereinamųjų metalų oksidai, sulfidai, fosfidai, anglies medžiagos, selenidai ir mišrūs metalų kompleksai buvo plačiai ištirti ir parodė daug žadantį OER ir HER našumą. Tačiau daugumai šių elektrokatalizatorių reikalingas didesnis potencialas nei tauriųjų metalų katalizatoriams, todėl jų stabilumo gerinimas išlieka itin svarbus. Todėl būtina skubiai sukurti nebrangią ir efektyvią alternatyvią elektrodų struktūrą, pasižyminčią dideliu aktyvumu ir ilgalaikiu stabilumu, kad būtų galima efektyviai skaidyti vandenį.

Elektrocheminių pritaikymų srityje, elektrodams paruošti buvo naudojamos dvi pagrindinės strategijos. Pirmasis ir plačiausiai naudojamas metodas apima miltelių pavidalo katalizatorių naudojimą. Paprastai elektrodai konstruojami naudojant elektroaktyvių medžiagų srutas, laidumo didiklius ir klijus ant laidžių pagrindų. Tačiau šis metodas nėra be trūkumų. Pagrindinis trūkumas yra elektrą izoliuojančio rišiklio reikalavimas, kuris sumažina elektrolito ir katalizatoriaus sąlyčio plotą. Tai gali lemti kataliziškai aktyvių vietų blokavimą, dėl to gali padidėti atsparumas ir sumažėti elektrokatalizinis veikimas. Be to, elektrodai yra gana nestabilūs, nes prijungtas katalizatorius linkęs atsilupti nuo laidžio pagrindo esant dideliam srovės tankiui. Antroji pagrindinė elektrodų paruošimo strategija yra tauriųjų metalų medžiagų, kurios nusodinamos tiesiai ant laidžiojo pagrindo, pavyzdžiui, nikelio putplasčio, vario folijos, anglies audinio arba popieriaus, FTO, nerūdijančio plieno ir nikelio folijos, naudojimas. Tačiau šis metodas nėra be apribojimų. Sunku tiksliai kontroliuoti prieinamą erdvę tarp nusodintų aktyvių medžiagų, todėl elektrodo veikimas mažėja didėjant plėvelės storiui dėl to, kad substratas nepasiekiamas kataliziškai aktyvioms vietoms viduje. Be to, metodo sudėtingumas ir didelė kaina labai trukdo jį taikyti praktiškai. Todėl ekonomiškai efektyvių gamybos metodų kūrimastrimačiai (3D) elektrodaiyra būtinas sėkmingam elektrocheminiam pritaikymui.

Naujų trimačių metalinių medžiagų su porėtomis struktūromis ir dideliu specifiniu paviršiaus plotu kūrimas sulaukė didelio dėmesio, nes jos gali sumažinti jonų difuzijos ilgį ir padidinti joninį bei elektroninį laidumą. Todėl perspektyvi elektrokatalizatoriaus projektavimo kryptis yra sujungti skirtingus konstrukcinius matmenis, kad būtų sukurtas nanostruktūrinis katalizatoriaus laikiklių kompozitas, užtikrinantis didelį laidumą, didelį paviršiaus plotą ir didelį stabilumą.Nikelio putos(NF), komerciškai prieinama ir nebrangi medžiaga, dėl pageidaujamos trimatės atvirų porų struktūros, didelio elektros laidumo ir didelio specifinio paviršiaus ploto plačiai naudojama kaip elektrodų medžiagų substratas ir nešiklis. Mikroporos ir nelygus srautas NF kanalai taip pat užtikrina gerą masės perdavimą ir didelį paviršiaus plotą ploto vienetui. Įvairūs substratai, įskaitant įvairias metalines putas, tinklelius, folijas ir audinius, buvo ištirti kaip kolektoriai elektrocheminiams tikslams, tokiems kaip ličio jonų baterijos, superkondensatoriai, saulės elementai ir vandens padalijimas. Visų pirma, porėti NF patraukė dėmesį dėl savo mažos kainos, elektrinio laidumo ir didelio elektroaktyvaus paviršiaus ploto, kuris idealiai tinka pakrauti katalizatorius ir padidinti elektrochemiškai aktyvias vietas. Be to, akytieji NF turi pranašumų didindami masinį elektrolitų pernešimą, todėl jie yra tinkami kandidatai į didelio paviršiaus ploto srovės kolektorius energijos reikmėms. Tiesioginis aktyvių medžiagų augimas ant nikelio putplasčio taip pat pagerina katalizatoriaus ir substrato kontaktą, kad būtų galima efektyviai perkelti elektronus vykstant vandens krekingo reakcijoms. Nors superkondensatorių ir baterijų elektrodai išlieka pagrindiniais NF pritaikymais, naujausi tyrimai parodė, kad ant šios medžiagos nusodintos elektrodų medžiagos turi geresnį OER aktyvumą nei Ni folijos ir tinklai. Šios medžiagos gali būti dengtos tiek natūraliomis formomis, tiek dekoruotos aktyviomis medžiagomis, o putos gali būti naudojamos ir kaip kolektoriai, ir kaip atraminiai pagrindai. Taigi, nanostruktūrinės, daug žemės turinčios katalizinės medžiagos augimas ant NF substratų žada sukurti pažangias elektrodų medžiagas energijos kaupimo / konvertavimo įrenginiams. Nors dažniausiai yra daug žemių turinčių elektrokatalizatorių, auginamų tiesiai ant nikelio putplasčio, trimačiai elektrodai ant nikelio putplasčio, skirti OER ir HER, nebuvo išsamiai ištirti, nors tai yra porėtos hierarchinės struktūros, kurios yra nebrangios ir lengvai pagaminamos.