ജല വിള്ളലിനുള്ള ഇലക്ട്രോകാറ്റലിസ്റ്റുകളായി ത്രിമാന നിക്കൽ ഫോം മെറ്റീരിയലുകളിൽ നാനോ ഘടനയുള്ള വസ്തുക്കളുടെ ഉപയോഗം

ഫോസിൽ ഇന്ധനങ്ങളുടെ ശോഷണവും ഊർജ്ജത്തെയും പാരിസ്ഥിതിക പ്രശ്നങ്ങളെയും കുറിച്ചുള്ള വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ആശങ്കകളും ബദൽ ഊർജ്ജ സ്രോതസ്സുകൾ വികസിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള വിപുലമായ ഗവേഷണ ശ്രമങ്ങളിലേക്ക് നയിച്ചു.ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ ഇലക്ട്രോലിസിസ്ഹൈഡ്രജൻ ഇന്ധന ഉൽപാദനത്തിനുള്ള ഒരു നല്ല തന്ത്രമായി ജലത്തെ കണക്കാക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, കാര്യക്ഷമമായ വാട്ടർ ക്രാക്കിംഗിന്, ഓക്സിജൻ-എക്‌സ്‌ട്രാക്ഷൻ റിയാക്ഷൻ്റെയും (OER) ഹൈഡ്രജൻ-എക്‌സ്‌ട്രാക്ഷൻ റിയാക്ഷൻ്റെയും (HER) ചലനാത്മകതയെ ത്വരിതപ്പെടുത്താൻ കഴിയുന്ന കാര്യക്ഷമവും മോടിയുള്ളതുമായ ഇലക്ട്രോകാറ്റലിസ്റ്റുകൾ ആവശ്യമാണ്. നോബൽ ലോഹം അടങ്ങിയ കാറ്റലിസ്റ്റുകളായ Pt ഉം അതിൻ്റെ ലോഹസങ്കരങ്ങളും RuO2, IrO2 എന്നിവ നിലവിൽ OER, HER എന്നിവയെ ഉത്തേജിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള ഏറ്റവും കാര്യക്ഷമമായ ഉൽപ്രേരകങ്ങളാണ്. എന്നിരുന്നാലും, നോബിൾ ലോഹങ്ങളുടെ ഉയർന്ന വിലയും ദൗർലഭ്യവും അവയുടെ വലിയ തോതിലുള്ള പ്രയോഗത്തിനും പുനരുപയോഗ ഊർജ സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെ വികസനത്തിനും തടസ്സമായി. ഈ പരിമിതികൾ മറികടക്കാൻ, OER, OERHER എന്നിവയ്‌ക്ക് സാമ്പത്തിക ബദലായി ഭൂമിയിൽ സമൃദ്ധമായ വസ്തുക്കൾ ഉപയോഗിച്ച് വിലയേറിയ ലോഹ ഇലക്‌ട്രോകാറ്റലിസ്റ്റുകൾ രൂപകൽപ്പന ചെയ്യുന്നതിനും സമന്വയിപ്പിക്കുന്നതിനും ഗണ്യമായ ശ്രമങ്ങൾ നടത്തിയിട്ടുണ്ട്. ട്രാൻസിഷൻ മെറ്റൽ ഓക്സൈഡുകൾ, സൾഫൈഡുകൾ, ഫോസ്ഫൈഡുകൾ, കാർബൺ മെറ്റീരിയലുകൾ, സെലിനൈഡുകൾ, മിക്സഡ്-മെറ്റൽ കോംപ്ലക്സുകൾ എന്നിവയെക്കുറിച്ച് വിപുലമായി പഠിക്കുകയും OER, HER എന്നിവയ്ക്കായി നല്ല പ്രകടനം കാഴ്ചവെക്കുകയും ചെയ്തിട്ടുണ്ട്. എന്നിരുന്നാലും, ഈ ഇലക്ട്രോകാറ്റലിസ്റ്റുകളിൽ ഭൂരിഭാഗത്തിനും നോബിൾ മെറ്റൽ അധിഷ്ഠിത കാറ്റലിസ്റ്റുകളേക്കാൾ ഉയർന്ന ഓവർപോട്ടൻഷ്യലുകൾ ആവശ്യമാണ്, അവയുടെ സ്ഥിരത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നത് നിർണായകമാണ്. അതിനാൽ, കാര്യക്ഷമമായ ജല വിഭജനത്തിനായി ഉയർന്ന പ്രവർത്തനവും ദീർഘകാല സ്ഥിരതയും ഉള്ള കുറഞ്ഞ ചെലവും കാര്യക്ഷമവുമായ ബദൽ ഇലക്ട്രോഡ് ഘടന വികസിപ്പിക്കേണ്ടത് അടിയന്തിരമായി ആവശ്യമാണ്.

ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ ആപ്ലിക്കേഷനുകളുടെ മേഖലയിൽ, ഇലക്ട്രോഡുകൾ തയ്യാറാക്കാൻ രണ്ട് പ്രധാന തന്ത്രങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചിട്ടുണ്ട്. പൊടിച്ച രൂപത്തിൽ കാറ്റലിസ്റ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നത് ആദ്യത്തേതും ഏറ്റവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നതുമായ സാങ്കേതികതയിൽ ഉൾപ്പെടുന്നു. സാധാരണഗതിയിൽ, ഇലക്‌ട്രോഡുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നത് ഇലക്‌ട്രോ ആക്റ്റീവ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ സ്ലറികൾ, ചാലകത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നവർ, ചാലക സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ പശകൾ എന്നിവ ഉപയോഗിച്ചാണ്. എന്നിരുന്നാലും, ഈ സമീപനം പോരായ്മകളില്ലാത്തതല്ല. വൈദ്യുത ഇൻസുലേറ്റിംഗ് ബൈൻഡറിൻ്റെ ആവശ്യകതയാണ് പ്രധാന പോരായ്മ, ഇത് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിനും കാറ്റലിസ്റ്റിനും ഇടയിലുള്ള കോൺടാക്റ്റ് ഏരിയ കുറയ്ക്കുന്നു. ഇത് ഉൽപ്രേരകമായി സജീവമായ സൈറ്റുകൾ തടയുന്നതിലേക്ക് നയിച്ചേക്കാം, ഇത് ഉയർന്ന പ്രതിരോധം ഉണ്ടാക്കുകയും ഇലക്ട്രോകാറ്റലിറ്റിക് പ്രകടനം കുറയുകയും ചെയ്യും. കൂടാതെ, ഇലക്ട്രോഡുകൾ താരതമ്യേന അസ്ഥിരമാണ്, കാരണം ഘടിപ്പിച്ച കാറ്റലിസ്റ്റ് ഉയർന്ന വൈദ്യുത സാന്ദ്രതയിൽ ചാലക അടിത്തറയിൽ നിന്ന് പുറംതള്ളപ്പെടുന്നു. ഇലക്ട്രോഡ് തയ്യാറാക്കുന്നതിനുള്ള രണ്ടാമത്തെ പ്രധാന തന്ത്രം, നിക്കൽ ഫോം, കോപ്പർ ഫോയിൽ, കാർബൺ തുണി അല്ലെങ്കിൽ പേപ്പർ, എഫ്ടിഒ, സ്റ്റെയിൻലെസ് സ്റ്റീൽ, നിക്കൽ ഫോയിൽ എന്നിവ പോലെയുള്ള ചാലക അടിവസ്ത്രത്തിലേക്ക് നേരിട്ട് ഇലക്ട്രോഡെപോസിറ്റ് ചെയ്യുന്ന നോബിൾ മെറ്റൽ അധിഷ്ഠിത വസ്തുക്കളുടെ ഉപയോഗമാണ്. എന്നിരുന്നാലും, ഈ സമീപനം അതിൻ്റെ പരിമിതികളില്ലാത്തതല്ല. നിക്ഷേപിച്ച സജീവ സാമഗ്രികൾക്കിടയിലുള്ള ആക്സസ് ചെയ്യാവുന്ന ഇടം കൃത്യമായി നിയന്ത്രിക്കുന്നത് ബുദ്ധിമുട്ടാണ്, അതിനാൽ, അടിവസ്ത്രത്തിൻ്റെ ഉത്തേജകമായി സജീവമായ സൈറ്റുകളിലേക്ക് പ്രവേശിക്കാൻ കഴിയാത്തതിനാൽ ഫിലിം കനം വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് ഇലക്ട്രോഡ് പ്രകടനം കുറയുന്നു. കൂടാതെ, രീതിയുടെ സങ്കീർണ്ണതയും ഉയർന്ന വിലയും അതിൻ്റെ പ്രായോഗിക പ്രയോഗത്തെ വളരെയധികം തടസ്സപ്പെടുത്തുന്നു. അതിനാൽ, ചെലവ് കുറഞ്ഞ ഫാബ്രിക്കേഷൻ ടെക്നിക്കുകളുടെ വികസനംത്രിമാന (3D) ഇലക്ട്രോഡുകൾവിജയകരമായ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് ഇത് ആവശ്യമാണ്.

അയോൺ വ്യാപന ദൈർഘ്യം കുറയ്ക്കുന്നതിനും അയോണിക്, ഇലക്ട്രോണിക് ചാലകത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനും ഉള്ള കഴിവ് കാരണം പോറസ് ഘടനകളും ഉയർന്ന നിർദ്ദിഷ്ട ഉപരിതല പ്രദേശങ്ങളുമുള്ള പുതിയ ത്രിമാന ലോഹ വസ്തുക്കളുടെ വികസനം ഗണ്യമായ ശ്രദ്ധ ആകർഷിച്ചു. അതിനാൽ, ഉയർന്ന ചാലകത, വലിയ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം, ഉയർന്ന സ്ഥിരത എന്നിവ നൽകുന്ന കാറ്റലിസ്റ്റ് കാരിയറുകളുടെ ഒരു നാനോ ഘടനാപരമായ സംയോജനം സൃഷ്ടിക്കുന്നതിന് വ്യത്യസ്ത ഘടനാപരമായ അളവുകൾ സംയോജിപ്പിക്കുക എന്നതാണ് ഇലക്ട്രോകാറ്റലിസ്റ്റ് രൂപകൽപ്പനയ്ക്കുള്ള വാഗ്ദാനമായ ദിശ.നിക്കൽ നുര(NF), വാണിജ്യാടിസ്ഥാനത്തിൽ ലഭ്യവും വിലകുറഞ്ഞതുമായ ഒരു വസ്തുവാണ്, ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ ഒരു അടിവസ്ത്രമായും കാരിയറായും അതിൻ്റെ അഭികാമ്യമായ ത്രിമാന ഓപ്പൺ-പോർ ഘടന, ഉയർന്ന വൈദ്യുതചാലകത, വലിയ പ്രത്യേക ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം എന്നിവ കാരണം വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. NF-കൾക്കുള്ളിലെ ചാനലുകൾ ഒരു യൂണിറ്റ് ഏരിയയ്ക്ക് നല്ല മാസ് ട്രാൻസ്ഫറും വലിയ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണവും നൽകുന്നു. ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികൾ, സൂപ്പർകപ്പാസിറ്ററുകൾ, സോളാർ സെല്ലുകൾ, ജല വിഭജനം എന്നിവ പോലുള്ള ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി വിവിധ ലോഹ നുരകൾ, മെഷുകൾ, ഫോയിലുകൾ, തുണിത്തരങ്ങൾ എന്നിവയുൾപ്പെടെ വിവിധ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ ശേഖരിച്ചു. പ്രത്യേകിച്ചും, പോറസ് എൻഎഫുകൾ അവയുടെ കുറഞ്ഞ ചെലവ്, വൈദ്യുതചാലകത, വലിയ ഇലക്ട്രോ ആക്റ്റീവ് ഉപരിതല പ്രദേശം എന്നിവ കാരണം ശ്രദ്ധ ആകർഷിച്ചു, ഇത് കാറ്റലിസ്റ്റുകൾ ലോഡുചെയ്യുന്നതിനും ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ സജീവ സൈറ്റുകൾ വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനും അനുയോജ്യമാണ്. കൂടാതെ, പോറസ് എൻഎഫുകൾക്ക് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ ബഹുജന ഗതാഗതം വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിൽ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, ഇത് ഊർജ്ജ പ്രയോഗങ്ങളിൽ ഉയർന്ന ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണമുള്ള കറൻ്റ് കളക്ടർമാർക്ക് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു. നിക്കൽ നുരയിൽ സജീവമായ വസ്തുക്കളുടെ നേരിട്ടുള്ള വളർച്ച, ജല വിള്ളൽ പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ കാര്യക്ഷമമായ ഇലക്ട്രോൺ കൈമാറ്റത്തിന് കാറ്റലിസ്റ്റ്-സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സമ്പർക്കം വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു. സൂപ്പർകപ്പാസിറ്ററും ബാറ്ററി ഇലക്‌ട്രോഡുകളും NF-കൾക്കുള്ള പ്രധാന ആപ്ലിക്കേഷനുകളായി തുടരുമ്പോൾ, ഈ മെറ്റീരിയലിൽ നിക്ഷേപിച്ച ഇലക്‌ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് Ni ഫോയിലുകളേക്കാളും വലകളേക്കാളും മികച്ച OER പ്രവർത്തനമുണ്ടെന്ന് സമീപകാല പഠനങ്ങൾ തെളിയിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഈ വസ്തുക്കൾ അവയുടെ സ്വാഭാവിക രൂപത്തിൽ പ്രയോഗിക്കാം അല്ലെങ്കിൽ സജീവമായ വസ്തുക്കളാൽ അലങ്കരിക്കാം, കൂടാതെ നുരകൾ കളക്ടറായും പിന്തുണാ അടിവസ്ത്രമായും ഉപയോഗിക്കാം. അങ്ങനെ, എൻഎഫ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ നാനോ സ്ട്രക്ചർ ചെയ്‌ത, ഭൂമിയാൽ സമ്പുഷ്ടമായ കാറ്റലറ്റിക് മെറ്റീരിയലിൻ്റെ വളർച്ച ഊർജ്ജ സംഭരണ/പരിവർത്തന ഉപകരണങ്ങൾക്കായുള്ള നൂതന ഇലക്‌ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ വികസിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള വാഗ്ദാനമാണ്. നിക്കൽ നുരയിൽ നേരിട്ട് വളരുന്ന ഭൂമിയാൽ സമ്പുഷ്ടമായ ഇലക്ട്രോകാറ്റലിസ്റ്റുകൾ സാധാരണയായി ലഭ്യമാണെങ്കിലും, OER-കൾക്കും HER-കൾക്കുമുള്ള നിക്കൽ നുരയിലെ ത്രിമാന ഇലക്ട്രോഡുകൾ വിപുലമായി അന്വേഷിച്ചിട്ടില്ല, എന്നിരുന്നാലും അവ കുറഞ്ഞ ചെലവും നിർമ്മിക്കാൻ എളുപ്പമുള്ളതുമായ സുഷിര ശ്രേണിയിലുള്ള ഘടനകളാണെങ്കിലും.