Utilizarea materialelor nanostructurate pe materiale tridimensionale din spumă de nichel ca electrocatalizatori pentru cracarea apei

Epuizarea combustibililor fosili și preocupările tot mai mari cu privire la problemele energetice și de mediu au condus la eforturi ample de cercetare pentru a dezvolta surse alternative de energie.Electroliză electrochimicăde apă este considerată o strategie promițătoare pentru producerea de combustibil cu hidrogen. Cu toate acestea, cracarea eficientă a apei necesită electrocatalizatori eficienți și durabili care pot accelera cinetica reacției de extracție a oxigenului (OER) și a reacției de extracție a hidrogenului (HER). Catalizatorii care conțin metale nobile, cum ar fi Pt și aliajele sale, RuO2 și IrO2, sunt în prezent cei mai eficienți catalizatori pentru catalizarea OER și HER. Cu toate acestea, costul ridicat și deficitul de metale nobile au împiedicat aplicarea lor pe scară largă și dezvoltarea tehnologiilor de energie regenerabilă. Pentru a depăși aceste limitări, s-au făcut eforturi considerabile pentru a proiecta și sintetiza electrocatalizatori din metale neprețioase folosind materiale cu abundență de pământ ca alternative economice la OER și OERHER. Oxizii metalelor de tranziție, sulfurile, fosfurile, materialele carbonice, selenidele și complexele de metale amestecate au fost studiate pe larg și au arătat performanțe promițătoare pentru OER și HER. Cu toate acestea, majoritatea acestor electrocatalizatori necesită suprapotenţiale mai mari decât catalizatorii pe bază de metale nobile, iar îmbunătăţirea stabilităţii lor rămâne crucială. Prin urmare, există o nevoie urgentă de a dezvolta o structură alternativă de electrozi cu costuri reduse și eficientă, cu activitate ridicată și stabilitate pe termen lung pentru divizarea eficientă a apei.

În domeniul aplicaţiilor electrochimice, au fost utilizate două strategii principale pentru prepararea electrozilor. Prima și cea mai utilizată tehnică implică utilizarea catalizatorilor sub formă de pulbere. În mod obișnuit, electrozii sunt construiți prin utilizarea suspensii de materiale electroactive, amplificatori de conductivitate și adezivi pe substraturi conductoare. Cu toate acestea, această abordare nu este lipsită de dezavantaje. Principalul dezavantaj este necesitatea unui liant izolator electric, care reduce aria de contact dintre electrolit și catalizator. Acest lucru poate duce la blocarea zonelor active catalitic, rezultând o rezistență ridicată și o performanță electrocatalitică redusă. În plus, electrozii sunt relativ instabili, deoarece catalizatorul atașat tinde să se desprindă de pe substratul conductor la densități mari de curent. A doua strategie principală pentru pregătirea electrozilor este utilizarea materialelor pe bază de metale nobile care sunt electrodepuse direct pe substratul conductiv, cum ar fi spuma de nichel, folie de cupru, pânză sau hârtie de carbon, FTO, oțel inoxidabil și folie de nichel. Cu toate acestea, această abordare nu este lipsită de limitări. Este dificil de controlat cu precizie spațiul accesibil dintre materialele active depuse și, prin urmare, performanța electrodului scade odată cu creșterea grosimii peliculei din cauza inaccesibilității substratului la locurile active catalitic din interior. În plus, complexitatea și costul ridicat al metodei împiedică foarte mult aplicarea sa practică. Prin urmare, dezvoltarea unor tehnici de fabricare rentabile pentruelectrozi tridimensionali (3D).este necesar pentru aplicații electrochimice de succes.

Dezvoltarea de noi materiale metalice tridimensionale cu structuri poroase și suprafețe specifice mari a atras o atenție considerabilă datorită potențialului lor de a reduce lungimea difuziei ionilor și de a crește conductivitatea ionică și electronică. Prin urmare, o direcție promițătoare pentru proiectarea electrocatalizatorului este combinarea diferitelor dimensiuni structurale pentru a crea un compozit nanostructurat de purtători de catalizator care oferă conductivitate ridicată, suprafață mare și stabilitate ridicată.Spuma de nichel(NF), un material disponibil comercial și ieftin, a fost utilizat pe scară largă ca substrat și purtător pentru materialele electrozilor datorită structurii sale tridimensionale cu pori deschiși, conductivității electrice ridicate și suprafeței specifice mari. Microporii și fluxul zimțat canalele din cadrul NF oferă, de asemenea, un bun transfer de masă și o suprafață mare pe unitate de suprafață. Diverse substraturi, inclusiv diferite spume metalice, ochiuri, folii și țesături, au fost explorate ca colectoare pentru aplicații electrochimice, cum ar fi bateriile litiu-ion, supercondensatoarele, celulele solare și separarea apei. În special, NF-urile poroase au atras atenția datorită costului redus, conductivității electrice și suprafeței electroactive mari, care este ideală pentru încărcarea catalizatorilor și creșterea locurilor active electrochimice. În plus, NF-urile poroase au avantaje în îmbunătățirea transportului de masă al electroliților, făcându-le candidați potriviți pentru colectoarele de curent cu suprafață mare în aplicații energetice. Creșterea directă a materialelor active pe spuma de nichel îmbunătățește, de asemenea, contactul catalizator-substrat pentru un transfer eficient de electroni în reacțiile de cracare a apei. În timp ce electrozii de supercondensator și baterie rămân principalele aplicații pentru NF, studii recente au arătat că materialele electrozilor depuse pe acest material au o activitate OER superioară decât foliile și plasele Ni. Aceste materiale pot fi aplicate fie in forma lor naturala, fie decorate cu materiale active, iar spumele pot fi folosite atat ca colectoare cat si ca suport suport. Astfel, creșterea unui material catalitic nanostructurat, bogat în pământ pe substraturi NF este promițătoare pentru dezvoltarea de materiale avansate pentru electrozi pentru dispozitive de stocare/conversie a energiei. Deși electrocatalizatorii bogați în pământ crescuți direct pe spumă de nichel sunt disponibili în mod obișnuit, electrozii tridimensionali pe spumă de nichel pentru OER și HER nu au fost investigați pe larg, deși sunt structuri ierarhice poroase care sunt ieftine și ușor de fabricat.