Употреба на наноструктурирани материјали на тридимензионални материјали од никел пена како електрокатализатори за пукање вода

Осиромашувањето на фосилните горива и растечката загриженост за енергетските и еколошките прашања доведоа до обемни истражувачки напори за развој на алтернативни извори на енергија.Електрохемиска електролизана вода се смета за ветувачка стратегија за производство на водородно гориво. Сепак, ефикасното пукање на вода бара ефикасни и издржливи електрокатализатори кои можат да ја забрзаат кинетиката на реакцијата на екстракција на кислород (OER) и реакцијата на екстракција на водород (HER). Катализаторите што содржат благородни метали, како што се Pt и неговите легури, RuO2 и IrO2, моментално се најефикасните катализатори за катализирање на OER и HER. Сепак, високата цена и недостатокот на благородни метали ја попречија нивната примена во големи размери и развојот на технологии за обновлива енергија. За да се надминат овие ограничувања, направени се значителни напори за дизајнирање и синтетизирање на електрокатализатори на нескапоцени метали со користење на материјали богати со земја како економични алтернативи на OER и OERHER. Оксидите на преодните метали, сулфидите, фосфидите, јаглеродните материјали, селенидите и комплексите со мешани метали се опширно проучувани и покажаа ветувачки перформанси за OER и HER. Сепак, повеќето од овие електрокатализатори бараат повисоки надпотенцијали од катализаторите базирани на благородни метали, а подобрувањето на нивната стабилност останува клучно. Затоа, постои итна потреба да се развие евтина и ефикасна алтернативна електродна структура со висока активност и долгорочна стабилност за ефикасно разделување на водата.

Во областа на електрохемиските апликации, користени се две главни стратегии за подготовка на електроди. Првата и најшироко користена техника вклучува употреба на катализатори во форма на прав. Вообичаено, електродите се конструираат со користење на кашеста маса од електроактивни материјали, засилувачи на спроводливост и лепила на спроводливи подлоги. Сепак, овој пристап не е без недостатоци. Главниот недостаток е барањето за електрично изолационо врзивно средство, кое ја намалува површината за контакт помеѓу електролитот и катализаторот. Ова може да доведе до блокирање на каталитички активните места, што резултира со висок отпор и намалени електрокаталитички перформанси. Покрај тоа, електродите се релативно нестабилни, бидејќи приложениот катализатор има тенденција да се олупи од спроводната подлога при високи густини на струјата. Втората главна стратегија за подготовка на електродата е употребата на материјали на база на благородни метали кои се електродепонираат директно на спроводливата подлога, како што се никел пена, бакарна фолија, карбонска ткаенина или хартија, FTO, нерѓосувачки челик и никел фолија. Сепак, овој пристап не е без свои ограничувања. Тешко е прецизно да се контролира пристапниот простор помеѓу депонираните активни материјали и затоа, перформансите на електродата се намалуваат со зголемување на дебелината на филмот поради непристапноста на подлогата до каталитички активните места внатре. Покрај тоа, сложеноста и високата цена на методот во голема мера ја попречуваат неговата практична примена. Затоа, развојот на ефективни техники на изработка затридимензионални (3D) електродие неопходен за успешни електрохемиски апликации.

Развојот на нови тродимензионални метални материјали со порозни структури и високи специфични површини привлече значително внимание поради нивниот потенцијал да ја намалат должината на јонската дифузија и да ја зголемат јонската и електронската спроводливост. Затоа, ветувачка насока за дизајнот на електрокатализаторот е да се комбинираат различни структурни димензии со цел да се создаде наноструктурен композит од носачи на катализатор кои обезбедуваат висока спроводливост, голема површина и висока стабилност.Никел пена(NF), комерцијално достапен и ефтин материјал, е широко користен како подлога и носител за електродни материјали поради неговата посакувана тридимензионална структура со отворени пори, висока електрична спроводливост и голема специфична површина. Микропорите и нерамниот проток каналите во рамките на NF исто така обезбедуваат добар пренос на маса и голема површина по единица површина. Различни супстрати, вклучувајќи различни метални пени, мрежи, фолии и ткаенини, се истражени како колектори за електрохемиски апликации како што се литиум-јонски батерии, суперкондензатори, соларни ќелии и разделување вода. Особено, порозните NF го привлекоа вниманието поради нивната ниска цена, електричната спроводливост и големата електроактивна површина, што е идеално за вчитување катализатори и зголемување на електрохемиските активни места. Покрај тоа, порозните NF имаат предности во подобрувањето на масовниот транспорт на електролити, што ги прави погодни кандидати за струјни колектори со висока површина во енергетските апликации. Директниот раст на активните материјали на никел пена, исто така, го подобрува контактот катализатор-подлога за ефикасен пренос на електрони во реакциите на пукање на вода. Додека суперкондензаторските и батериските електроди остануваат главни апликации за NFs, неодамнешните студии покажаа дека електродните материјали депонирани на овој материјал имаат супериорна OER активност од Ni фолии и мрежи. Овие материјали можат да се нанесуваат или во природна форма или да се украсуваат со активни материјали, а пените може да се користат и како колектори и како потпорни подлоги. Така, растот на наноструктурен, богат со земја каталитички материјал на NF подлоги ветува развој на напредни електроди материјали за уреди за складирање/конверзија на енергија. Иако вообичаено се достапни електрокатализатори богати со земја, кои се одгледуваат директно на никел пена, тродимензионалните електроди на никел пена за OER и HER не се опширно истражени, иако тие се порозни хиерархиски структури кои се евтини и лесни за производство.