Využitie nanoštruktúrnych materiálov na trojrozmerných niklových penových materiáloch ako elektrokatalyzátory na krakovanie vodou

Vyčerpanie fosílnych palív a rastúce obavy z energetických a environmentálnych problémov viedli k rozsiahlemu výskumnému úsiliu o vývoj alternatívnych zdrojov energie.Elektrochemická elektrolýzavody sa považuje za sľubnú stratégiu výroby vodíkového paliva. Účinné krakovanie vody však vyžaduje účinné a odolné elektrokatalyzátory, ktoré dokážu urýchliť kinetiku reakcie extrakcie kyslíka (OER) a reakcie extrakcie vodíka (HER). Katalyzátory obsahujúce ušľachtilé kovy, ako je Pt a jeho zliatiny, RuO2 a IrO2, sú v súčasnosti najúčinnejšími katalyzátormi na katalýzu OER a HER. Vysoká cena a nedostatok ušľachtilých kovov však bránili ich rozsiahlemu použitiu a rozvoju technológií obnoviteľnej energie. Na prekonanie týchto obmedzení sa vynaložilo značné úsilie na navrhnutie a syntézu elektrokatalyzátorov z iných ako drahých kovov s použitím materiálov bohatých na zem ako ekonomických alternatív k OER a OERHER. Oxidy prechodných kovov, sulfidy, fosfidy, uhlíkové materiály, selenidy a komplexy zmiešaných kovov boli rozsiahle študované a preukázali sľubný výkon pre OER a HER. Väčšina týchto elektrokatalyzátorov však vyžaduje vyššie nadmerné potenciály ako katalyzátory na báze ušľachtilých kovov a zlepšenie ich stability zostáva kľúčové. Preto existuje naliehavá potreba vyvinúť lacnú a účinnú alternatívnu štruktúru elektród s vysokou aktivitou a dlhodobou stabilitou pre efektívne štiepenie vody.

V oblasti elektrochemických aplikáciíNa prípravu elektród sa použili dve hlavné stratégie. Prvá a najrozšírenejšia technika zahŕňa použitie katalyzátorov v práškovej forme. Typicky sú elektródy konštruované s využitím kalov elektroaktívnych materiálov, zosilňovačov vodivosti a lepidiel na vodivých substrátoch. Tento prístup však nie je bez nevýhod. Hlavnou nevýhodou je požiadavka na elektricky izolačné spojivo, ktoré zmenšuje kontaktnú plochu medzi elektrolytom a katalyzátorom. To môže viesť k blokovaniu katalyticky aktívnych miest, čo vedie k vysokej odolnosti a zníženiu elektrokatalytického výkonu. Okrem toho sú elektródy relatívne nestabilné, pretože pripojený katalyzátor má tendenciu sa odlupovať od vodivého substrátu pri vysokých prúdových hustotách. Druhou hlavnou stratégiou prípravy elektród je použitie materiálov na báze ušľachtilých kovov, ktoré sa elektrolyticky nanášajú priamo na vodivý substrát, ako je niklová pena, medená fólia, uhlíková tkanina alebo papier, FTO, nehrdzavejúca oceľ a niklová fólia. Tento prístup však nie je bez obmedzení. Je ťažké presne kontrolovať prístupný priestor medzi nanesenými aktívnymi materiálmi, a preto výkon elektródy klesá so zvyšujúcou sa hrúbkou filmu v dôsledku neprístupnosti substrátu ku katalyticky aktívnym miestam vo vnútri. Okrem toho zložitosť a vysoké náklady metódy značne bránia jej praktickému uplatneniu. Preto vývoj nákladovo efektívnych výrobných techník pretrojrozmerné (3D) elektródyje nevyhnutný pre úspešné elektrochemické aplikácie.

Vývoj nových trojrozmerných kovových materiálov s poréznymi štruktúrami a vysokým špecifickým povrchom pritiahol značnú pozornosť vzhľadom na ich potenciál znížiť dĺžku difúzie iónov a zvýšiť iónovú a elektrónovú vodivosť. Sľubným smerom pre návrh elektrokatalyzátora je preto kombinácia rôznych štrukturálnych rozmerov, aby sa vytvoril nanoštruktúrovaný kompozit nosičov katalyzátorov, ktoré poskytujú vysokú vodivosť, veľkú plochu povrchu a vysokú stabilitu.Niklová pena(NF), komerčne dostupný a lacný materiál, bol široko používaný ako substrát a nosič pre elektródové materiály vďaka svojej požadovanej trojrozmernej štruktúre s otvorenými pórmi, vysokej elektrickej vodivosti a veľkej špecifickej ploche. Mikropóry a zubatý tok kanály v rámci NF tiež poskytujú dobrý prenos hmoty a veľkú plochu na jednotku plochy. Rôzne substráty, vrátane rôznych kovových pien, sietí, fólií a tkanín, boli skúmané ako kolektory pre elektrochemické aplikácie, ako sú lítium-iónové batérie, superkondenzátory, solárne články a štiepenie vody. Najmä porézne NF pritiahli pozornosť kvôli ich nízkej cene, elektrickej vodivosti a veľkej elektroaktívnej povrchovej ploche, ktorá je ideálna na nakladanie katalyzátorov a zvyšovanie elektrochemicky aktívnych miest. Okrem toho majú porézne NF výhody pri zvyšovaní hromadného transportu elektrolytov, čo z nich robí vhodných kandidátov na kolektory prúdu s vysokou povrchovou plochou v energetických aplikáciách. Priamy rast aktívnych materiálov na niklovej pene tiež zlepšuje kontakt katalyzátor-substrát pre účinný prenos elektrónov pri reakciách krakovania vodou. Zatiaľ čo elektródy superkondenzátorov a batérií zostávajú hlavnými aplikáciami pre NF, nedávne štúdie ukázali, že elektródové materiály uložené na tomto materiáli majú lepšiu OER aktivitu ako Ni fólie a siete. Tieto materiály môžu byť aplikované buď v ich prírodnej forme alebo zdobené aktívnymi materiálmi a peny môžu byť použité ako kolektory, tak aj ako nosné substráty. Rast nanoštruktúrovaného katalytického materiálu bohatého na zem na substrátoch NF je teda prísľubom pre vývoj pokročilých elektródových materiálov pre zariadenia na ukladanie / konverziu energie. Hoci elektrokatalyzátory bohaté na zem pestované priamo na niklovej pene sú bežne dostupné, trojrozmerné elektródy na niklovej pene pre OER a HER neboli rozsiahle skúmané, hoci ide o porézne hierarchické štruktúry, ktoré sú lacné a ľahko sa vyrábajú.