Nanostrukturoitujen materiaalien käyttö kolmiulotteisissa nikkelivaahtomateriaaleissa sähkökatalyytteinä vesikrakkauksessa

Fossiilisten polttoaineiden loppuminen ja kasvava huoli energia- ja ympäristöasioista ovat johtaneet laajoihin tutkimustoimiin vaihtoehtoisten energialähteiden kehittämiseksi.Sähkökemiallinen elektrolyysiVeden käyttöä pidetään lupaavana strategiana vetypolttoaineiden tuotannossa. Tehokas vesikrakkaus vaatii kuitenkin tehokkaita ja kestäviä sähkökatalyyttejä, jotka voivat nopeuttaa happiuuttoreaktion (OER) ja vetyuuttoreaktion (HER) kinetiikkaa. Jalometalleja sisältävät katalyytit, kuten Pt ja sen seokset, RuO2 ja IrO2, ovat tällä hetkellä tehokkaimpia katalysaattoreita OER:n ja HER:n katalysoinnissa. Jalometallien korkea hinta ja niukkuus ovat kuitenkin estäneet niiden laajamittaisen käytön ja uusiutuvan energian teknologioiden kehittämisen. Näiden rajoitusten voittamiseksi on tehty huomattavia ponnisteluja ei-jalometallisten sähkökatalysaattoreiden suunnittelussa ja syntetisoinnissa käyttämällä runsaasti maaperää sisältäviä materiaaleja taloudellisina vaihtoehtoina OER:lle ja OERHER:lle. Siirtymämetallioksideja, sulfideja, fosfideja, hiilimateriaaleja, selenidejä ja sekametallikomplekseja on tutkittu laajasti, ja ne ovat osoittaneet lupaavaa suorituskykyä OER:lle ja HER:lle. Useimmat näistä sähkökatalyyteistä vaativat kuitenkin suurempia ylipotentiaalia kuin jalometallipohjaiset katalyytit, ja niiden stabiilisuuden parantaminen on edelleen ratkaisevan tärkeää. Siksi on kiireellisesti kehitettävä edullinen ja tehokas vaihtoehtoinen elektrodirakenne, jolla on korkea aktiivisuus ja pitkäaikainen stabiilisuus tehokkaan veden jakamisen kannalta.

Sähkökemiallisten sovellusten alalla, elektrodien valmistukseen on käytetty kahta päästrategiaa. Ensimmäinen ja laajimmin käytetty tekniikka käsittää katalyyttien käytön jauhemuodossa. Tyypillisesti elektrodit rakennetaan käyttämällä sähköaktiivisten materiaalien lietteitä, johtavuuden parantajia ja liimoja johtavilla substraateilla. Tämä lähestymistapa ei kuitenkaan ole vailla haittoja. Suurin haittapuoli on sähköä eristävän sideaineen vaatimus, joka vähentää elektrolyytin ja katalyytin välistä kosketuspinta-alaa. Tämä voi johtaa katalyyttisesti aktiivisten kohtien tukkeutumiseen, mikä johtaa korkeaan vastukseen ja heikentyneeseen sähkökatalyyttiseen suorituskykyyn. Lisäksi elektrodit ovat suhteellisen epävakaita, koska kiinnitetty katalyytti pyrkii kuoriutumaan irti johtavasta substraatista suurilla virrantiheyksillä. Toinen päästrategia elektrodien valmistuksessa on jalometallipohjaisten materiaalien käyttö, jotka sähkösaostetaan suoraan johtavalle alustalle, kuten nikkelivaahto, kuparikalvo, hiilikangas tai paperi, FTO, ruostumaton teräs ja nikkelikalvo. Tämä lähestymistapa ei kuitenkaan ole ilman rajoituksiaan. Saostettujen aktiivisten materiaalien välistä käytettävissä olevaa tilaa on vaikea kontrolloida tarkasti, ja siksi elektrodin suorituskyky heikkenee kalvon paksuuden kasvaessa, koska substraatin sisällä olevat katalyyttisesti aktiiviset kohdat eivät pääse käsiksi. Lisäksi menetelmän monimutkaisuus ja korkeat kustannukset haittaavat suuresti sen käytännön soveltamista. Siksi kustannustehokkaiden valmistustekniikoiden kehittäminenkolmiulotteiset (3D) elektroditon välttämätön onnistuneille sähkökemiallisille sovelluksille.

Uusien kolmiulotteisten metallimateriaalien, joilla on huokoiset rakenteet ja suuret ominaispinta-alat, kehittäminen on herättänyt huomattavaa huomiota, koska ne voivat lyhentää ionidiffuusiopituutta ja lisätä ioni- ja elektronijohtavuutta. Siksi lupaava suunta elektrokatalyyttisuunnittelulle on yhdistää eri rakenteellisia ulottuvuuksia, jotta saadaan aikaan nanorakenteinen katalyytin kantoainekomposiitti, joka tarjoaa korkean johtavuuden, suuren pinta-alan ja hyvän stabiilisuuden.Nikkeli vaahto(NF), kaupallisesti saatavilla olevaa ja edullista materiaalia, on käytetty laajasti elektrodimateriaalien alustana ja kantajana sen toivottavan kolmiulotteisen avohuokoisen rakenteen, korkean sähkönjohtavuuden ja suuren ominaispinta-alan ansiosta. Mikrohuokoset ja rosoinen virtaus NF:iden sisällä olevat kanavat tarjoavat myös hyvän massansiirron ja suuren pinta-alan pinta-alayksikköä kohti. Erilaisia ​​substraatteja, kuten erilaisia ​​metallivaahtoja, verkkoja, kalvoja ja kankaita, on tutkittu keräilijöinä sähkökemiallisiin sovelluksiin, kuten litiumioniakut, superkondensaattorit, aurinkokennot ja veden halkaisu. Erityisesti huokoiset NF:t ovat herättäneet huomiota niiden alhaisten kustannusten, sähkönjohtavuuden ja suuren sähköaktiivisen pinta-alan ansiosta, mikä on ihanteellinen katalyyttien lataamiseen ja sähkökemiallisten aktiivisten kohtien lisäämiseen. Lisäksi huokoisilla NF:illä on etuja elektrolyyttien massakuljetusten tehostamisessa, mikä tekee niistä sopivia ehdokkaita suuren pinta-alan virrankeräilijöille energiasovelluksissa. Aktiivisten materiaalien suora kasvu nikkelivaahdossa parantaa myös katalyytti-substraattikontaktia tehokkaan elektroninsiirron aikaansaamiseksi vesikrakkausreaktioissa. Vaikka superkondensaattori- ja akkuelektrodit ovat edelleen NF:n tärkeimmät sovellukset, viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että tälle materiaalille kerrostuneilla elektrodimateriaaleilla on parempi OER-aktiivisuus kuin Ni-kalvoilla ja verkoilla. Nämä materiaalit voidaan levittää joko luonnollisessa muodossaan tai koristella aktiivisilla materiaaleilla, ja vaahtoja voidaan käyttää sekä keräilijöinä että tukialustoina. Siten nanorakenteisen, maaperän runsaan katalyyttimateriaalin kasvu NF-substraateilla lupaa kehittyneiden elektrodimateriaalien kehittämistä energian varastointi-/muunnoslaitteisiin. Vaikka suoraan nikkelivaahdolle kasvatettuja maaperäisiä elektrokatalyyttejä on yleisesti saatavilla, kolmiulotteisia elektrodeja nikkelivaahdolla OER- ja HER-laitteille ei ole tutkittu laajasti, vaikka ne ovat huokoisia hierarkkisia rakenteita, jotka ovat edullisia ja helppoja valmistaa.