Uch o'lchovli nikel ko'pikli materiallarda nanostrukturali materiallardan suvni yorilish uchun elektrokatalizator sifatida foydalanish

Fotoalbom yoqilg‘ilarning kamayishi va energiya va atrof-muhit muammolari bilan bog‘liq xavotirlarning kuchayishi muqobil energiya manbalarini rivojlantirish bo‘yicha keng ko‘lamli tadqiqotlarga olib keldi.Elektrokimyoviy elektrolizsuvdan foydalanish vodorod yoqilg'isini ishlab chiqarishning istiqbolli strategiyasi hisoblanadi. Shu bilan birga, samarali suvni kreking qilish kislorod-ekstraktsiya reaktsiyasi (OER) va vodorod-ekstraktsiya reaktsiyasining (HER) kinetikasini tezlashtirishi mumkin bo'lgan samarali va bardoshli elektrokatalizatorlarni talab qiladi. Pt va uning qotishmalari, RuO2 va IrO2 kabi nobel metall o'z ichiga olgan katalizatorlar hozirgi vaqtda OER va HER katalizatori uchun eng samarali katalizatorlardir. Biroq, qimmatbaho metallarning yuqori narxi va tanqisligi ularni keng miqyosda qo'llash va qayta tiklanadigan energiya texnologiyalarini rivojlantirishga to'sqinlik qildi. Ushbu cheklovlarni engib o'tish uchun OER va OERHER ga iqtisodiy alternativa sifatida yer yuzida ko'p bo'lgan materiallardan foydalangan holda qimmatbaho metallar bo'lmagan elektrokatalizatorlarni loyihalash va sintez qilish uchun katta sa'y-harakatlar amalga oshirildi. O'tish metall oksidlari, sulfidlar, fosfidlar, uglerod materiallari, selenidlar va aralash metall komplekslari keng qamrovli o'rganildi va OER va HER uchun istiqbolli ko'rsatkichlarni ko'rsatdi. Biroq, bu elektrokatalizatorlarning ko'pchiligi qimmatbaho metallar asosidagi katalizatorlarga qaraganda yuqori potentsiallarni talab qiladi va ularning barqarorligini oshirish hal qiluvchi ahamiyatga ega. Shu sababli, suvning samarali bo'linishi uchun yuqori faollik va uzoq muddatli barqarorlikka ega bo'lgan arzon va samarali alternativ elektrod strukturasini ishlab chiqish zarurati mavjud.

Elektrokimyoviy ilovalar sohasida, elektrodlarni tayyorlash uchun ikkita asosiy strategiya qo'llanilgan. Birinchi va eng ko'p qo'llaniladigan texnika chang shaklida katalizatorlardan foydalanishni o'z ichiga oladi. Odatda, elektrodlar elektroaktiv materiallardan, o'tkazuvchanlikni kuchaytiruvchi moddalardan va o'tkazuvchan substratlarda yopishtiruvchi moddalardan foydalanish orqali quriladi. Biroq, bu yondashuv kamchiliklardan xoli emas. Asosiy kamchilik - elektrolit va katalizator o'rtasidagi aloqa maydonini kamaytiradigan elektr izolyatsiyalovchi bog'lovchiga bo'lgan talab. Bu katalitik faol joylarning bloklanishiga olib kelishi mumkin, natijada yuqori qarshilik va elektrokatalitik samaradorlikni pasaytiradi. Bunga qo'shimcha ravishda, elektrodlar nisbatan beqaror, chunki biriktirilgan katalizator yuqori oqim zichligida o'tkazuvchi substratdan tozalanadi. Elektrodlarni tayyorlashning ikkinchi asosiy strategiyasi - nikel ko'pik, mis folga, uglerod mato yoki qog'oz, FTO, zanglamaydigan po'lat va nikel folga kabi to'g'ridan-to'g'ri elektr o'tkazuvchan substratga elektrodepozit qilingan qimmatbaho metall asosidagi materiallardan foydalanish. Biroq, bu yondashuv cheklovlarsiz emas. Cho'ktirilgan faol materiallar orasidagi kirish bo'sh joyni aniq nazorat qilish qiyin va shuning uchun substratning katalitik faol joylarga kirish imkoni yo'qligi sababli elektrodning ishlashi plyonka qalinligi oshishi bilan pasayadi. Bundan tashqari, usulning murakkabligi va yuqori narxi uni amaliy qo'llashga juda to'sqinlik qiladi. Shuning uchun ishlab chiqarish uchun tejamkor ishlab chiqarish texnikasini ishlab chiqishuch o'lchovli (3D) elektrodlarmuvaffaqiyatli elektrokimyoviy ilovalar uchun zarur.

G'ovakli tuzilmalar va yuqori o'ziga xos sirt maydonlariga ega bo'lgan yangi uch o'lchovli metall materiallarni ishlab chiqish, ularning ion diffuziya uzunligini qisqartirish va ion va elektron o'tkazuvchanligini oshirish salohiyati tufayli katta e'tiborni tortdi. Shu sababli, elektrokatalizatorni loyihalashning istiqbolli yo'nalishi yuqori o'tkazuvchanlik, katta sirt maydoni va yuqori barqarorlikni ta'minlaydigan katalizator tashuvchilarning nanostrukturali kompozitsiyasini yaratish uchun turli strukturaviy o'lchamlarni birlashtirishdir.Nikel ko'pik(NF) sotuvda mavjud va arzon material bo'lib, o'zining istalgan uch o'lchamli ochiq gözenekli tuzilishi, yuqori elektr o'tkazuvchanligi va katta o'ziga xos sirt maydoni tufayli elektrod materiallari uchun substrat va tashuvchi sifatida keng qo'llaniladi. Mikroporlar va tishli oqim NF ichidagi kanallar ham yaxshi massa o'tkazuvchanligini va birlik maydoniga katta sirt maydonini ta'minlaydi. Lityum-ion batareyalar, superkondensatorlar, quyosh xujayralari va suvni ajratish kabi elektrokimyoviy ilovalar uchun kollektor sifatida turli xil substratlar, jumladan, turli xil metall ko'piklar, to'rlar, plyonkalar va matolar o'rganildi. Xususan, gözenekli NFlar arzonligi, elektr o'tkazuvchanligi va katalizatorlarni yuklash va elektrokimyoviy faol maydonlarni oshirish uchun ideal bo'lgan katta elektroaktiv sirt maydoni tufayli e'tiborni tortdi. Bundan tashqari, gözenekli NFlar elektrolitlarning massa tashishini kuchaytirishda afzalliklarga ega bo'lib, ularni energiya dasturlarida yuqori sirt maydoni oqim kollektorlari uchun mos nomzodlar qiladi. Nikel ko'pikida faol moddalarning to'g'ridan-to'g'ri o'sishi, shuningdek, suvning yorilishi reaktsiyalarida elektronni samarali o'tkazish uchun katalizator-substrat aloqasini kuchaytiradi. Superkondensator va akkumulyator elektrodlari NF uchun asosiy ilovalar bo'lib qolsa-da, so'nggi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, ushbu materialga joylashtirilgan elektrod materiallari Ni folga va to'rlarga qaraganda yuqori OER faolligiga ega. Ushbu materiallar tabiiy shaklda qo'llanilishi yoki faol materiallar bilan bezatilgan bo'lishi mumkin va ko'piklar ham kollektor, ham qo'llab-quvvatlovchi substrat sifatida ishlatilishi mumkin. Shunday qilib, NF substratlarida nanostrukturali, tuproqqa boy katalitik materialning o'sishi energiyani saqlash/konvertatsiya qilish qurilmalari uchun ilg'or elektrod materiallarini ishlab chiqish uchun va'da beradi. To'g'ridan-to'g'ri nikel ko'pikida o'stirilgan tuproqqa boy elektrokatalizatorlar keng tarqalgan bo'lsa-da, OER va HER uchun nikel ko'pikidagi uch o'lchovli elektrodlar keng ko'lamda o'rganilmagan, garchi ular arzon va ishlab chiqarish oson bo'lgan g'ovakli ierarxik tuzilmalardir.