Використання наноструктурованих матеріалів на тривимірних спінених нікелевих матеріалах як електрокаталізаторів водного крекінгу

Вичерпання запасів викопного палива та зростаюче занепокоєння з приводу енергетичних та екологічних проблем призвели до масштабних досліджень з розробки альтернативних джерел енергії.Електрохімічний електролізводи вважається перспективною стратегією виробництва водневого палива. Однак для ефективного крекінгу води потрібні ефективні та довговічні електрокаталізатори, які можуть прискорити кінетику реакції вилучення кисню (OER) і реакції вилучення водню (HER). Каталізатори, що містять благородні метали, такі як Pt та її сплави, RuO2 та IrO2, наразі є найефективнішими каталізаторами для каталізації OER та HER. Однак висока вартість і дефіцит благородних металів перешкоджають їх широкомасштабному застосуванню та розвитку технологій відновлюваної енергії. Щоб подолати ці обмеження, було докладено значних зусиль для розробки та синтезу електрокаталізаторів із недорогоцінних металів з використанням матеріалів, багатих на землю, як економічної альтернативи OER та OERHER. Оксиди перехідних металів, сульфіди, фосфіди, вуглецеві матеріали, селеніди та комплекси змішаних металів були ретельно вивчені та показали багатообіцяючу ефективність для OER та HER. Однак більшість із цих електрокаталізаторів вимагають вищих перенапружень, ніж каталізатори на основі благородних металів, і покращення їх стабільності залишається вирішальним. Тому існує нагальна потреба в розробці недорогої та ефективної альтернативної електродної структури з високою активністю та довготривалою стабільністю для ефективного розщеплення води.

В області електрохімічних застосувань, для підготовки електродів використовувалися дві основні стратегії. Перший і найбільш широко використовуваний метод передбачає використання каталізаторів у формі порошку. Як правило, електроди виготовляються з використанням суспензій електроактивних матеріалів, підсилювачів провідності та адгезивів на провідних підкладках. Однак цей підхід не позбавлений недоліків. Основним недоліком є ​​вимога до електроізоляційного сполучного, що зменшує площу контакту між електролітом і каталізатором. Це може призвести до блокування каталітично активних центрів, що призведе до високого опору та зниження електрокаталітичної ефективності. Крім того, електроди є відносно нестабільними, оскільки прикріплений каталізатор має тенденцію відшаровуватися від провідної підкладки при високій щільності струму. Другою основною стратегією для підготовки електродів є використання матеріалів на основі благородних металів, які електроосаджують безпосередньо на провідну підкладку, таких як пінний нікель, мідна фольга, вугільна тканина або папір, FTO, нержавіюча сталь і нікелева фольга. Однак цей підхід не позбавлений обмежень. Важко точно контролювати доступний простір між нанесеними активними матеріалами, і, отже, продуктивність електрода зменшується зі збільшенням товщини плівки через недоступність підкладки для каталітично активних центрів усередині. Крім того, складність і дорожнеча методу значною мірою ускладнюють його практичне застосування. Тому розробка економічно ефективних технологій виготовлення длятривимірні (3D) електродинеобхідний для успішного електрохімічного застосування.

Розробка нових тривимірних металевих матеріалів з пористою структурою та високою питомою поверхнею привернула значну увагу завдяки їх потенціалу зменшувати довжину дифузії іонів і збільшувати іонну та електронну провідність. Тому перспективним напрямком розробки електрокаталізатора є комбінування різних структурних розмірів для створення наноструктурованого композиту носіїв каталізатора, який забезпечує високу провідність, велику площу поверхні та високу стабільність.Спінений нікель(NF), комерційно доступний і недорогий матеріал, широко використовувався як підкладка та носій для електродних матеріалів завдяки бажаній тривимірній структурі з відкритими порами, високій електропровідності та великій питомій площі поверхні. Мікропори та зубчастий потік канали в НФ також забезпечують хороший масообмін і велику площу поверхні на одиницю площі. Різноманітні підкладки, включаючи різні металеві піни, сітки, фольгу та тканини, досліджувалися як колектори для електрохімічних застосувань, таких як літій-іонні батареї, суперконденсатори, сонячні елементи та розщеплення води. Зокрема, пористі НФ привернули увагу завдяки своїй низькій вартості, електропровідності та великій площі електроактивної поверхні, що ідеально підходить для завантаження каталізаторів і збільшення електрохімічних активних центрів. Крім того, пористі НФ мають переваги в посиленні масового транспорту електролітів, що робить їх придатними кандидатами для струмоприймачів з великою площею поверхні в енергетичних додатках. Пряме зростання активних матеріалів на нікелевій піні також покращує контакт каталізатора з підкладкою для ефективного перенесення електронів у реакціях водного крекінгу. Незважаючи на те, що електроди суперконденсаторів і акумуляторів залишаються основними застосуваннями для NF, нещодавні дослідження показали, що електродні матеріали, нанесені на цей матеріал, мають кращу OER-активність, ніж Ni фольга та сітки. Ці матеріали можуть бути застосовані як у натуральному вигляді, так і декоровані активними матеріалами, а пінопласти можуть бути використані як колектори, так і опорні підкладки. Таким чином, зростання наноструктурованого каталітичного матеріалу, багатого землею, на підкладках NF є перспективним для розробки передових електродних матеріалів для пристроїв накопичення/перетворення енергії. Хоча збагачені землею електрокаталізатори, вирощені безпосередньо на нікелевій піні, широко доступні, тривимірні електроди на нікелевій піні для OER та HER не були широко досліджені, хоча вони являють собою пористі ієрархічні структури, які є недорогими та легкими у виготовленні.