Uporaba nanostrukturiranih materialov na tridimenzionalnih materialih iz nikljeve pene kot elektrokatalizatorjev za vodno krekiranje

Izčrpavanje fosilnih goriv in vse večja zaskrbljenost glede energetskih in okoljskih vprašanj sta pripeljala do obsežnih raziskovalnih prizadevanj za razvoj alternativnih virov energije.Elektrokemična elektrolizavode velja za obetavno strategijo za proizvodnjo vodikovega goriva. Vendar učinkovito vodno krekiranje zahteva učinkovite in vzdržljive elektrokatalizatorje, ki lahko pospešijo kinetiko reakcije ekstrakcije kisika (OER) in reakcije ekstrakcije vodika (HER). Katalizatorji, ki vsebujejo plemenite kovine, kot so Pt in njegove zlitine, RuO2 in IrO2, so trenutno najučinkovitejši katalizatorji za kataliziranje OER in HER. Vendar pa so visoki stroški in pomanjkanje plemenitih kovin ovirali njihovo obsežno uporabo in razvoj tehnologij obnovljivih virov energije. Za premagovanje teh omejitev je bilo veliko truda vloženega v načrtovanje in sintetiziranje elektrokatalizatorjev iz nežlahtnih kovin z uporabo materialov, bogatih z zemljo, kot ekonomične alternative OER in OERHER. Prehodni kovinski oksidi, sulfidi, fosfidi, ogljikovi materiali, selenidi in kompleksi mešanih kovin so bili obsežno raziskani in so pokazali obetavno učinkovitost za OER in HER. Vendar pa večina teh elektrokatalizatorjev zahteva višje prenapetosti kot katalizatorji na osnovi plemenitih kovin in izboljšanje njihove stabilnosti ostaja ključnega pomena. Zato je nujno treba razviti poceni in učinkovito alternativno elektrodno strukturo z visoko aktivnostjo in dolgoročno stabilnostjo za učinkovito cepljenje vode.

Na področju elektrokemijskih aplikacijsta bili za pripravo elektrod uporabljeni dve glavni strategiji. Prva in najbolj razširjena tehnika vključuje uporabo katalizatorjev v obliki prahu. Običajno so elektrode izdelane z uporabo mešanic elektroaktivnih materialov, ojačevalcev prevodnosti in lepil na prevodnih substratih. Vendar ta pristop ni brez pomanjkljivosti. Glavna pomanjkljivost je zahteva po električno izolacijskem vezivu, ki zmanjša kontaktno površino med elektrolitom in katalizatorjem. To lahko privede do blokade katalitično aktivnih mest, kar ima za posledico visoko odpornost in zmanjšano elektrokatalitično delovanje. Poleg tega so elektrode razmeroma nestabilne, saj se pritrjeni katalizator pri visokih gostotah toka rad odlepi od prevodnega substrata. Druga glavna strategija za pripravo elektrod je uporaba materialov na osnovi plemenitih kovin, ki se elektrodeponirajo neposredno na prevodno podlago, kot so nikljeva pena, bakrena folija, karbonska tkanina ali papir, FTO, nerjavno jeklo in nikljeva folija. Vendar ta pristop ni brez omejitev. Težko je natančno nadzorovati dostopen prostor med odloženimi aktivnimi materiali, zato se učinkovitost elektrode zmanjšuje z naraščajočo debelino filma zaradi nedostopnosti substrata do katalitično aktivnih mest v notranjosti. Poleg tega zapletenost in visoki stroški metode močno ovirajo njeno praktično uporabo. Zato je razvoj stroškovno učinkovitih tehnik izdelave zatridimenzionalne (3D) elektrodeje potreben za uspešne elektrokemijske aplikacije.

Razvoj novih tridimenzionalnih kovinskih materialov s porozno strukturo in visokimi specifičnimi površinami je pritegnil veliko pozornosti zaradi njihovega potenciala zmanjšanja dolžine ionske difuzije ter povečanja ionske in elektronske prevodnosti. Zato je obetavna smer za načrtovanje elektrokatalizatorja združevanje različnih strukturnih dimenzij, da se ustvari nanostrukturiran kompozit nosilcev katalizatorja, ki zagotavlja visoko prevodnost, veliko površino in visoko stabilnost.Nikljeva pena(NF), komercialno dostopen in poceni material, se pogosto uporablja kot substrat in nosilec za elektrodne materiale zaradi zaželene tridimenzionalne strukture z odprtimi porami, visoke električne prevodnosti in velike specifične površine. Mikropore in nazobčan tok kanali znotraj NF zagotavljajo tudi dober prenos mase in veliko površino na enoto površine. Različni substrati, vključno z različnimi kovinskimi penami, mrežami, folijami in tkaninami, so bili raziskani kot zbiralniki za elektrokemične aplikacije, kot so litij-ionske baterije, superkondenzatorji, sončne celice in cepitev vode. Zlasti porozni NF so pritegnili pozornost zaradi svoje nizke cene, električne prevodnosti in velike elektroaktivne površine, kar je idealno za nalaganje katalizatorjev in povečanje elektrokemičnih aktivnih mest. Poleg tega imajo porozni NF prednosti pri izboljšanju masnega transporta elektrolitov, zaradi česar so primerni kandidati za zbiralnike toka z veliko površino v energetskih aplikacijah. Neposredna rast aktivnih materialov na nikljevi peni prav tako izboljša stik katalizator-substrat za učinkovit prenos elektronov v reakcijah vodnega krekinga. Medtem ko superkondenzatorske in baterijske elektrode ostajajo glavne aplikacije za NF, so nedavne študije pokazale, da imajo elektrodni materiali, naneseni na ta material, boljšo OER aktivnost kot Ni folije in mreže. Te materiale lahko nanesemo bodisi v naravni obliki bodisi dekoriramo z aktivnimi materiali, pene pa lahko uporabimo kot zbiralnike in nosilne podlage. Tako je rast nanostrukturiranega, z zemljo bogatega katalitičnega materiala na substratih NF obetavna za razvoj naprednih elektrodnih materialov za naprave za shranjevanje/pretvorbo energije. Čeprav so elektrokatalizatorji, bogati z zemljo, gojeni neposredno na nikljevi peni, običajno na voljo, tridimenzionalne elektrode na nikljevi peni za OER in HER niso bile obsežno raziskane, čeprav so porozne hierarhične strukture, ki so poceni in enostavne za izdelavo.