Wykorzystanie materiałów nanostrukturalnych na trójwymiarowych materiałach piankowych niklowych jako elektrokatalizatorów do krakingu wodnego

Wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych i rosnące obawy dotyczące kwestii energetycznych i środowiskowych doprowadziły do ​​szeroko zakrojonych badań mających na celu opracowanie alternatywnych źródeł energii.Elektroliza elektrochemicznawody jest uważana za obiecującą strategię produkcji paliwa wodorowego. Jednak efektywny kraking wodny wymaga wydajnych i trwałych elektrokatalizatorów, które mogą przyspieszyć kinetykę reakcji ekstrakcji tlenu (OER) i reakcji ekstrakcji wodoru (HER). NobleMetal- zawierające katalizatory, takie jak Pt i jego stopy, RuO2 i IrO2, są obecnie najskuteczniejszymi katalizatorami do katalizowania OER i HER. Jednak wysoki koszt i niedobór metali szlachetnych utrudniają ich szerokie zastosowanie i rozwój technologii energii odnawialnej. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, poczyniono znaczne wysiłki w celu zaprojektowania i syntezy elektrokatalizatorów z metali nieszlachetnych przy użyciu materiałów występujących w dużych ilościach na Ziemi jako ekonomicznych alternatyw dla OER i OERHER. Tlenki metali przejściowych, siarczki, fosforki, materiały węglowe, selenki i kompleksy mieszanych metali były szeroko badane i wykazały obiecującą wydajność dla OER i HER. Jednak większość tych elektrokatalizatorów wymaga wyższych nadpotencjałów niż katalizatory na bazie metali szlachetnych, a poprawa ich stabilności pozostaje kluczowa. Dlatego też istnieje pilna potrzeba opracowania taniej i wydajnej alternatywnej struktury elektrody o wysokiej aktywności i długoterminowej stabilności w celu wydajnego rozszczepiania wody.

W dziedzinie zastosowań elektrochemicznych, do przygotowania elektrod zastosowano dwie główne strategie. Pierwsza i najszerzej stosowana technika obejmuje użycie katalizatorów w postaci proszku. Zazwyczaj elektrody są konstruowane przy użyciu zawiesin materiałów elektroaktywnych, wzmacniaczy przewodnictwa i klejów na przewodzących podłożach. Jednak to podejście nie jest pozbawione wad. Główną wadą jest wymóg stosowania spoiwa izolującego elektrycznie, które zmniejsza powierzchnię styku między elektrolitem a katalizatorem. Może to prowadzić do blokowania katalitycznie aktywnych miejsc, co skutkuje wysoką rezystancją i zmniejszoną wydajnością elektrokatalityczną. Ponadto elektrody są stosunkowo niestabilne, ponieważ przymocowany katalizator ma tendencję do odklejania się od przewodzącego podłoża przy wysokich gęstościach prądu. Drugą główną strategią przygotowania elektrod jest użycie materiałów na bazie metali szlachetnych, które są osadzane elektrolitycznie bezpośrednio na przewodzącym podłożu, takim jak nikielPiana, folia miedziana, tkanina węglowa lub papier, FTO, stal nierdzewna i folia niklowa. Jednak to podejście nie jest pozbawione ograniczeń. Trudno jest precyzyjnie kontrolować dostępną przestrzeń między osadzonymi materiałami aktywnymi, a zatem wydajność elektrody maleje wraz ze wzrostem grubości warstwy z powodu niedostępności podłoża do katalitycznie aktywnych miejsc wewnątrz. Ponadto złożoność i wysoki koszt metody znacznie utrudniają jej praktyczne zastosowanie. Dlatego też opracowanie opłacalnych technik wytwarzania dlaelektrody trójwymiarowe (3D)jest niezbędny do udanych zastosowań elektrochemicznych.

Rozwój nowych trójwymiarowych materiałów metalicznych o porowatych strukturach i dużej powierzchni właściwej przyciągnął znaczną uwagę ze względu na ich potencjał do zmniejszania długości dyfuzji jonów i zwiększania przewodnictwa jonowego i elektronicznego. Dlatego obiecującym kierunkiem projektowania elektrokatalizatorów jest łączenie różnych wymiarów strukturalnych w celu stworzenia nanostrukturyzowanego kompozytu nośników katalizatora, który zapewnia wysoką przewodność, dużą powierzchnię i wysoką stabilność.Pianka niklowa(NF), komercyjnie dostępny i niedrogi materiał, jest szeroko stosowany jako podłoże i nośnik dla materiałów elektrodowych ze względu na pożądaną trójwymiarową strukturę z otwartymi porami, wysoką przewodność elektryczną i dużą powierzchnię właściwą. Mikropory i poszarpane kanały przepływu wewnątrz NF zapewniają również dobry transfer masy i dużą powierzchnię na jednostkę powierzchni. Różne podłoża, w tym różne pianki metalowe, siatki, folie i tkaniny, zostały zbadane jako kolektory do zastosowań elektrochemicznych, takich jak baterie litowo-jonowe, superkondensatory, ogniwa słoneczne i rozszczepianie wody. W szczególności porowate NF przyciągnęły uwagę ze względu na niski koszt, przewodność elektryczną i dużą powierzchnię elektroaktywną, która jest idealna do ładowania katalizatorów i zwiększania elektrochemicznych miejsc aktywnych. Ponadto porowate NF mają zalety w zwiększaniu transportu masy elektrolitów, co czyni je odpowiednimi kandydatami na kolektory prądu o dużej powierzchni w zastosowaniach energetycznych. Bezpośredni wzrost materiałów aktywnych na piance niklowej zwiększa również kontakt katalizator-podłoże w celu wydajnego transferu elektronów w reakcjach krakingu wodnego. Podczas gdy elektrody superkondensatorów i baterii pozostają głównymi zastosowaniami NF, ostatnie badania wykazały, że materiały elektrodowe osadzone na tym materiale mają lepszą aktywność OER niż folie i siatki Ni. Materiały te można stosować w ich naturalnej postaci lub ozdobić materiałami aktywnymi, a pianki można stosować zarówno jako kolektory, jak i podłoża nośne. Tak więc wzrost nanostrukturyzowanego, bogatego w pierwiastki ziemne materiału katalitycznego na podłożach NF rokuje nadzieję na rozwój zaawansowanych materiałów elektrodowych do urządzeń do magazynowania/konwersji energii. Chociaż bogate w pierwiastki ziemne elektrokatalizatory hodowane bezpośrednio na piance niklowej są powszechnie dostępne, trójwymiarowe elektrody na piance niklowej do OER i HER nie zostały dokładnie zbadane, chociaż są porowatymi strukturami hierarchicznymi, które są tanie i łatwe do wytworzenia.