Гурван хэмжээст никель хөөсөн материал дээр нано бүтэцтэй материалыг усны хагарлын цахилгаан катализатор болгон ашиглах

Шатахууны нөөц хомсдож, эрчим хүч, байгаль орчны асуудалд санаа зовоосон асуудал улам бүр нэмэгдэж байгаа нь эрчим хүчний өөр эх үүсвэрийг бий болгохын тулд өргөн хүрээний судалгаа шинжилгээ хийхэд хүргэсэн.Электрохимийн электролизустөрөгчийн түлш үйлдвэрлэх ирээдүйтэй стратеги гэж үздэг. Гэсэн хэдий ч усны үр ашигтай хагарал нь хүчилтөрөгч ялгах урвал (OER) ба устөрөгч ялгах урвалын (HER) кинетикийг хурдасгах үр ашигтай, бат бөх цахилгаан катализаторыг шаарддаг. Pt ба түүний хайлш, RuO2, IrO2 зэрэг үнэт металл агуулсан катализаторууд нь одоогоор OER болон HER-ийг катализатор болгоход хамгийн үр дүнтэй катализаторууд юм. Гэсэн хэдий ч үнэт металлын өндөр өртөг, хомсдол нь тэдгээрийг өргөн цар хүрээтэй ашиглах, сэргээгдэх эрчим хүчний технологийг хөгжүүлэхэд саад болж байна. Эдгээр хязгаарлалтыг даван туулахын тулд OER болон OERHER-ийн хэмнэлттэй хувилбар болох дэлхий дээр элбэг дэлбэг материалыг ашиглан үнэт металлын цахилгаан катализаторыг зохион бүтээх, нэгтгэх талаар ихээхэн хүчин чармайлт гаргасан. Шилжилтийн металлын исэл, сульфид, фосфид, нүүрстөрөгчийн материал, селенид, холимог металлын цогцолборыг өргөнөөр судалж, OER болон HER-ийн хувьд ирээдүйтэй гүйцэтгэлийг харуулсан. Гэсэн хэдий ч эдгээр цахилгаан катализаторын ихэнх нь үнэт металл дээр суурилсан катализатороос илүү өндөр потенциал шаарддаг бөгөөд тэдгээрийн тогтвортой байдлыг сайжруулах нь нэн чухал хэвээр байна. Иймд усыг үр ашигтай хуваах өндөр идэвхжилтэй, урт хугацааны тогтвортой байдал бүхий хямд өртөгтэй, үр ашигтай өөр электродын бүтцийг бий болгох зайлшгүй шаардлагатай байна.

Цахилгаан химийн хэрэглээний салбарт, электрод бэлтгэх хоёр үндсэн стратегийг ашигласан. Эхний бөгөөд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг арга бол катализаторыг нунтаг хэлбэрээр ашиглах явдал юм. Ихэвчлэн электродууд нь цахилгаан гүйдэл дамжуулагч материал, цахилгаан дамжуулалтыг сайжруулагч бодис, наалдамхай бодисыг ашиглан хийдэг. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь сул талгүй биш юм. Гол сул тал нь электролит ба катализаторын хоорондох холбоо барих хэсгийг багасгадаг цахилгаан тусгаарлагч биндэрт тавигдах шаардлага юм. Энэ нь катализаторын идэвхтэй хэсгүүдийг хааж, улмаар өндөр эсэргүүцэл, электрокаталитик гүйцэтгэлийг бууруулдаг. Нэмж дурдахад электродууд нь харьцангуй тогтворгүй байдаг, учир нь холбосон катализатор нь гүйдлийн өндөр нягтралтай үед дамжуулагч субстратаас хальслах хандлагатай байдаг. Электрод бэлтгэх хоёрдахь гол стратеги бол никель хөөс, зэс тугалган цаас, нүүрстөрөгчийн даавуу эсвэл цаас, FTO, зэвэрдэггүй ган, никель тугалган цаас зэрэг дамжуулагч субстрат дээр шууд электродоор цутгасан үнэт металл дээр суурилсан материалыг ашиглах явдал юм. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь хязгаарлалтгүй биш юм. Хуримтлагдсан идэвхтэй материалын хоорондох хүртээмжтэй зайг нарийн хянах нь хэцүү байдаг тул субстрат доторх катализаторын идэвхтэй хэсгүүдэд нэвтрэх боломжгүй тул хальсны зузаан нэмэгдэх тусам электродын гүйцэтгэл буурдаг. Нэмж дурдахад, аргын нарийн төвөгтэй байдал, өндөр өртөг нь түүний практик хэрэглээнд ихээхэн саад учруулдаг. Иймээс эдийн засгийн хувьд хэмнэлттэй үйлдвэрлэлийн техникийг хөгжүүлэхгурван хэмжээст (3D) электродуудамжилттай цахилгаан химийн хэрэглээнд зайлшгүй шаардлагатай.

Ионы тархалтын уртыг багасгаж, ионы болон электрон дамжуулалтыг нэмэгдүүлэх чадвартай тул сүвэрхэг бүтэцтэй, өндөр хувийн гадаргуугийн талбай бүхий гурван хэмжээст металлын шинэ материалыг хөгжүүлэх нь олны анхаарлыг татсан. Тиймээс цахилгаан катализаторын дизайны ирээдүйтэй чиглэл бол өндөр дамжуулалт, том гадаргуугийн талбай, өндөр тогтвортой байдлыг хангадаг катализаторын зөөгч нано бүтэцтэй нийлмэл бүтцийг бий болгохын тулд янз бүрийн бүтцийн хэмжээсүүдийг нэгтгэх явдал юм.Никель хөөс(NF) нь худалдаанд гарах боломжтой, хямд материал болох гурван хэмжээст нээлттэй нүх сүвний бүтэц, өндөр цахилгаан дамжуулалт, том гадаргуугийн талбайн улмаас электродын материалын субстрат болон зөөгч болгон өргөн хэрэглэгддэг. NF-ийн доторх суваг нь сайн масс дамжуулалт, нэгж талбайд ногдох том гадаргуугийн талбайг хангадаг. Лити-ион батерей, суперконденсатор, нарны зай, ус хуваах зэрэг цахилгаан химийн хэрэглээнд зориулж цуглуулагч болгон янз бүрийн металл хөөс, тор, тугалган цаас, даавуу зэрэг янз бүрийн субстратуудыг судалсан. Ялангуяа сүвэрхэг NF-ууд нь хямд өртөгтэй, цахилгаан дамжуулах чанар, цахилгаан идэвхт гадаргуугийн талбай ихтэй тул катализаторыг ачаалах, цахилгаан химийн идэвхит хэсгүүдийг нэмэгдүүлэхэд тохиромжтой тул анхаарал татсан. Нэмж дурдахад сүвэрхэг NF нь электролитийн массын тээвэрлэлтийг нэмэгдүүлэх давуу талтай тул эрчим хүчний хэрэглээнд өндөр гадаргуугийн гүйдэл цуглуулагчдад тохиромжтой нэр дэвшигч болгодог. Никелийн хөөсөнцөр дээр идэвхтэй материалын шууд өсөлт нь усны хагарлын урвалд электрон дамжуулалтыг үр дүнтэй болгохын тулд катализатор-субстратын холбоог сайжруулдаг. Хэт конденсатор ба батерейны электродууд нь NF-ийн гол хэрэглээ хэвээр байгаа боловч сүүлийн үеийн судалгаагаар энэ материал дээр хуримтлагдсан электродын материалууд нь Ni тугалган цаас болон торноос илүү OER идэвхжилтэй болохыг харуулсан. Эдгээр материалыг байгалийн хэлбэрээр эсвэл идэвхтэй материалаар чимэглэх боломжтой бөгөөд хөөсийг цуглуулагч болон туслах субстрат болгон ашиглаж болно. Тиймээс NF субстрат дээр нано бүтэцтэй, шороогоор баялаг катализаторын материалын өсөлт нь эрчим хүч хадгалах/хувиргах төхөөрөмжид зориулсан дэвшилтэт электродын материалыг хөгжүүлэх амлалтыг өгч байна. Никелийн хөөсөнцөр дээр шууд ургуулсан дэлхийгээр баялаг электрокатализаторууд түгээмэл байдаг ч OER болон HER-д зориулсан никель хөөсөнцөр дээрх гурван хэмжээст электродууд нь өртөг багатай, үйлдвэрлэхэд хялбар сүвэрхэг шаталсан бүтэцтэй хэдий ч өргөн хүрээтэй судлагдаагүй байна.