Употреба наноструктурираних материјала на тродимензионалним материјалима од никла пене као електрокатализатора за крекирање воде

Исцрпљивање фосилних горива и растућа забринутост око енергетских и еколошких питања довели су до опсежних истраживачких напора за развој алтернативних извора енергије.Електрохемијска електролизаводе се сматра обећавајућом стратегијом за производњу водоничног горива. Међутим, ефикасно крековање воде захтева ефикасне и издржљиве електрокатализаторе који могу да убрзају кинетику реакције екстракције кисеоника (ОЕР) и реакције екстракције водоника (ХЕР). Катализатори који садрже племените метале, као што су Пт и његове легуре, РуО2 и ИрО2, тренутно су најефикаснији катализатори за катализу ОЕР и ХЕР. Међутим, висока цена и недостатак племенитих метала ометали су њихову широку примену и развој технологија обновљивих извора енергије. Да би се превазишла ова ограничења, уложени су значајни напори да се дизајнирају и синтетишу електрокатализатори који нису племенити метали користећи материјале богате земљом као економичне алтернативе ОЕР и ОЕРХЕР. Оксиди прелазних метала, сулфиди, фосфиди, угљенични материјали, селениди и комплекси мешаних метала су опсежно проучавани и показали су обећавајуће перформансе за ОЕР и ХЕР. Међутим, већина ових електрокатализатора захтева веће пренапоне од катализатора на бази племенитих метала, а побољшање њихове стабилности остаје кључно. Због тога постоји хитна потреба да се развије јефтина и ефикасна алтернативна структура електрода са високом активношћу и дуготрајном стабилношћу за ефикасно цепање воде.

У области електрохемијских примена, две главне стратегије су коришћене за припрему електрода. Прва и најчешће коришћена техника укључује употребу катализатора у прашкастом облику. Типично, електроде се конструишу коришћењем суспензије електроактивних материјала, појачивача проводљивости и лепкова на проводним подлогама. Међутим, овај приступ није без недостатака. Главни недостатак је захтев за електроизолационим везивом, што смањује површину контакта између електролита и катализатора. Ово може довести до блокирања каталитички активних места, што резултира великом отпорношћу и смањеним електрокаталитичким перформансама. Поред тога, електроде су релативно нестабилне, јер причвршћени катализатор има тенденцију да се одлепи од проводне подлоге при високим густинама струје. Друга главна стратегија за припрему електрода је употреба материјала на бази племенитих метала који се електродепонују директно на проводљиву подлогу, као што су пена од никла, бакарна фолија, угљенично платно или папир, ФТО, нерђајући челик и фолија од никла. Међутим, овај приступ није без својих ограничења. Тешко је прецизно контролисати приступни простор између депонованих активних материјала и, стога, перформансе електроде се смањују са повећањем дебљине филма због недоступности супстрата каталитички активним местима унутра. Поред тога, сложеност и висока цена методе у великој мери ометају његову практичну примену. Стога је развој исплативих техника израде затродимензионалне (3Д) електродеје неопходно за успешне електрохемијске примене.

Развој нових тродимензионалних металних материјала са порозним структурама и високим специфичним површинама привукао је значајну пажњу због њиховог потенцијала да смање дужину дифузије јона и повећају јонску и електронску проводљивост. Стога је обећавајући правац за дизајн електрокатализатора комбиновање различитих структурних димензија како би се створио наноструктурирани композит носача катализатора који обезбеђују високу проводљивост, велику површину и високу стабилност.Никлова пена(НФ), комерцијално доступан и јефтин материјал, широко се користи као супстрат и носач за материјале електрода због своје пожељне тродимензионалне структуре отворених пора, високе електричне проводљивости и велике специфичне површине. Микропоре и назубљени ток канали унутар НФ такође обезбеђују добар пренос масе и велику површину по јединици површине. Различите подлоге, укључујући различите металне пене, мреже, фолије и тканине, истражене су као колектори за електрохемијске примене као што су литијум-јонске батерије, суперкондензатори, соларне ћелије и цепање воде. Посебно су порозни НФ привукли пажњу због своје ниске цене, електричне проводљивости и велике електроактивне површине, што је идеално за пуњење катализатора и повећање електрохемијских активних места. Поред тога, порозни НФ имају предности у побољшању масовног транспорта електролита, што их чини погодним кандидатима за колекторе струје велике површине у енергетским апликацијама. Директан раст активних материјала на пени никла такође побољшава контакт катализатора и супстрата за ефикасан пренос електрона у реакцијама крекирања воде. Док суперкондензаторске и батеријске електроде остају главна примена за НФ, недавне студије су показале да материјали електрода нанесени на овај материјал имају супериорну ОЕР активност од Ни фолија и мрежа. Ови материјали се могу применити у природном облику или декорисани активним материјалима, а пене се могу користити и као сакупљачи и као потпорне подлоге. Дакле, раст наноструктурираног, земљом богатог каталитичког материјала на НФ супстратима обећава развој напредних електродних материјала за уређаје за складиштење/конверзију енергије. Иако су електрокатализатори богати земљом који се узгајају директно на пени никла обично доступни, тродимензионалне електроде на пени никла за ОЕР и ХЕРс нису опширно истраживане, иако су порозне хијерархијске структуре које су јефтине и једноставне за производњу.