Användning av nanostrukturerade material på tredimensionella nickelskummaterial som elektrokatalysatorer för vattenkrackning

Utarmningen av fossila bränslen och växande oro för energi- och miljöfrågor har lett till omfattande forskningsinsatser för att utveckla alternativa energikällor.Elektrokemisk elektrolysvatten anses vara en lovande strategi för produktion av vätgasbränsle. Effektiv vattenkrackning kräver dock effektiva och hållbara elektrokatalysatorer som kan accelerera kinetiken för syreextraktionsreaktionen (OER) och väteextraktionsreaktionen (HER). Ädelmetallhaltiga katalysatorer, såsom Pt och dess legeringar, RuO2 och IrO2, är för närvarande de mest effektiva katalysatorerna för att katalysera OER och HER. De höga kostnaderna och bristen på ädelmetaller har dock hindrat deras storskaliga tillämpning och utvecklingen av förnybar energiteknik. För att övervinna dessa begränsningar har avsevärda ansträngningar gjorts för att designa och syntetisera elektrokatalysatorer av icke-ädelmetaller med användning av jordnära material som ekonomiska alternativ till OER och OERHER. Övergångsmetalloxider, sulfider, fosfider, kolmaterial, selenider och blandade metallkomplex har studerats omfattande och har visat lovande prestanda för OER och HER. De flesta av dessa elektrokatalysatorer kräver dock högre överpotentialer än ädelmetallbaserade katalysatorer, och att förbättra deras stabilitet är fortfarande avgörande. Därför finns det ett akut behov av att utveckla en billig och effektiv alternativ elektrodstruktur med hög aktivitet och långsiktig stabilitet för effektiv vattenklyvning.

Inom området för elektrokemiska tillämpningartvå huvudstrategier har använts för att förbereda elektroder. Den första och mest använda tekniken innefattar användningen av katalysatorer i pulverform. Vanligtvis är elektroder konstruerade genom att använda uppslamningar av elektroaktiva material, konduktivitetsförstärkare och bindemedel på ledande substrat. Detta tillvägagångssätt är emellertid inte utan nackdelar. Den största nackdelen är kravet på ett elektriskt isolerande bindemedel, vilket minskar kontaktytan mellan elektrolyten och katalysatorn. Detta kan leda till blockering av de katalytiskt aktiva platserna, vilket resulterar i hög resistans och minskad elektrokatalytisk prestanda. Dessutom är elektroderna relativt instabila, eftersom den fästa katalysatorn tenderar att lossna från det ledande substratet vid höga strömtätheter. Den andra huvudstrategin för elektrodförberedelse är användningen av ädelmetallbaserade material som elektrolytiskt utfälls direkt på det ledande substratet, såsom nickelskum, kopparfolie, koltyg eller papper, FTO, rostfritt stål och nickelfolie. Detta tillvägagångssätt är dock inte utan sina begränsningar. Det är svårt att exakt kontrollera det tillgängliga utrymmet mellan de avsatta aktiva materialen och därför minskar elektrodens prestanda med ökande filmtjocklek på grund av substratets otillgänglighet till de katalytiskt aktiva platserna inuti. Dessutom hindrar metodens komplexitet och höga kostnad avsevärt dess praktiska tillämpning. Därför utvecklar kostnadseffektiva tillverkningstekniker förtredimensionella (3D) elektroderär nödvändigt för framgångsrika elektrokemiska tillämpningar.

Utvecklingen av nya tredimensionella metalliska material med porösa strukturer och höga specifika ytareor har väckt stor uppmärksamhet på grund av deras potential att minska jondiiffusionslängden och öka jonisk och elektronisk konduktivitet. Därför är en lovande riktning för elektrokatalysatordesign att kombinera olika strukturella dimensioner för att skapa en nanostrukturerad komposit av katalysatorbärare som ger hög ledningsförmåga, stor yta och hög stabilitet.Nickelskum(NF), ett kommersiellt tillgängligt och billigt material, har använts i stor utsträckning som substrat och bärare för elektrodmaterial på grund av dess önskvärda tredimensionella struktur med öppna porer, höga elektriska ledningsförmåga och stora specifika ytarea. Mikroporerna och taggiga flöden kanaler inom NF:erna ger också god massöverföring och stor yta per ytenhet. Olika substrat, inklusive olika metallskum, maskor, folier och tyger, har utforskats som uppsamlare för elektrokemiska applikationer som litiumjonbatterier, superkondensatorer, solceller och vattenklyvning. I synnerhet har porösa NF:er uppmärksammats på grund av deras låga kostnad, elektriska ledningsförmåga och stora elektroaktiva ytarea, vilket är idealiskt för att ladda katalysatorer och öka elektrokemiska aktiva platser. Dessutom har porösa NF:er fördelar när det gäller att förbättra masstransporten av elektrolyter, vilket gör dem till lämpliga kandidater för strömavtagare med stor yta i energitillämpningar. Direkt tillväxt av aktiva material på nickelskum förbättrar också kontakten mellan katalysator och substrat för effektiv elektronöverföring i vattenkrackningsreaktioner. Medan superkondensator- och batterielektroder fortfarande är de huvudsakliga applikationerna för NF:er, har nyare studier visat att elektrodmaterial avsatt på detta material har överlägsen OER-aktivitet än Ni-folier och nät. Dessa material kan appliceras antingen i sin naturliga form eller dekoreras med aktiva material, och skummet kan användas både som uppsamlare och stödsubstrat. Tillväxten av ett nanostrukturerat, jordrikt katalytiskt material på NF-substrat lovar således utvecklingen av avancerade elektrodmaterial för energilagrings-/omvandlingsanordningar. Även om jordrika elektrokatalysatorer odlade direkt på nickelskum är allmänt tillgängliga, har tredimensionella elektroder på nickelskum för OERs och HERs inte undersökts omfattande, även om de är porösa hierarkiska strukturer som är billiga och lätta att tillverka.