Выкарыстанне нанаструктураваных матэрыялаў на трохмерных пенанікелевых матэрыялах у якасці электракаталізатараў для воднага крэкінгу

Знясіленне запасаў выкапнёвага паліва і рост занепакоенасці энергетычнымі і экалагічнымі праблемамі прывялі да шырокіх даследаванняў па распрацоўцы альтэрнатыўных крыніц энергіі.Электрахімічны электролізвады лічыцца перспектыўнай стратэгіяй вытворчасці вадароднага паліва. Аднак для эфектыўнага крэкінгу вады неабходны эфектыўныя і даўгавечныя электракаталізатары, якія могуць паскараць кінэтыку рэакцыі экстракцыі кіслароду (OER) і рэакцыі экстракцыі вадароду (HER). Каталізатары, якія змяшчаюць высакародныя металы, такія як Pt і яе сплавы, RuO2 і IrO2, у цяперашні час з'яўляюцца найбольш эфектыўнымі каталізатарамі для каталізацыі OER і HER. Аднак высокі кошт і дэфіцыт высакародных металаў перашкодзілі іх шырокаму прымяненню і развіццю тэхналогій аднаўляльнай энергіі. Каб пераадолець гэтыя абмежаванні, былі прыкладзены значныя намаганні для распрацоўкі і сінтэзу электракаталізатараў з некаштоўных металаў з выкарыстаннем багатых на зямлі матэрыялаў у якасці эканамічнай альтэрнатывы OER і OERHER. Аксіды пераходных металаў, сульфіды, фасфіды, вугляродныя матэрыялы, селеніды і комплексы змешаных металаў былі шырока вывучаны і паказалі перспектыўныя характарыстыкі для OER і HER. Аднак большасць гэтых электракаталізатараў патрабуе больш высокіх перанапружанняў, чым каталізатары на аснове высакародных металаў, і паляпшэнне іх стабільнасці застаецца вырашальным. Такім чынам, існуе вострая неабходнасць у распрацоўцы недарагой і эфектыўнай альтэрнатыўнай электроднай структуры з высокай актыўнасцю і доўгатэрміновай стабільнасцю для эфектыўнага падзелу вады.

У галіне электрахім, для падрыхтоўкі электродаў выкарыстоўваліся дзве асноўныя стратэгіі. Першы і найбольш шырока выкарыстоўваны метад прадугледжвае выкарыстанне каталізатараў у выглядзе парашка. Як правіла, электроды ствараюцца з выкарыстаннем суспензій электраактыўных матэрыялаў, узмацняльнікаў праводнасці і клеяў на правадзячых падкладках. Аднак гэты падыход не пазбаўлены недахопаў. Асноўным недахопам з'яўляецца патрабаванне да электраізаляцыйнага злучнага, што памяншае плошчу кантакту паміж электралітам і каталізатарам. Гэта можа прывесці да блакіроўкі каталітычна актыўных цэнтраў, што прывядзе да высокага супраціву і зніжэння электракаталітычных характарыстык. Акрамя таго, электроды адносна няўстойлівыя, так як прымацаваны каталізатар мае тэндэнцыю адслойвацца ад токаправоднай падкладкі пры высокай шчыльнасці току. Другая асноўная стратэгія падрыхтоўкі электродаў - гэта выкарыстанне матэрыялаў на аснове высакародных металаў, якія наносяцца электраасаджаннем непасрэдна на токаправодную падкладку, такіх як успенены нікель, медная фальга, вугляродная тканіна або папера, FTO, нержавеючая сталь і нікелевая фальга. Аднак гэты падыход не пазбаўлены абмежаванняў. Цяжка дакладна кантраляваць даступную прастору паміж нанесенымі актыўнымі матэрыяламі, і, такім чынам, прадукцыйнасць электрода памяншаецца з павелічэннем таўшчыні плёнкі з-за недаступнасці падкладкі для каталітычна актыўных сайтаў унутры. Акрамя таго, працаёмкасць і высокі кошт метаду моцна абцяжарваюць яго практычнае прымяненне. Такім чынам, распрацоўка эканамічна эфектыўных метадаў вырабу длятрохмерныя (3D) электродынеабходны для паспяховага электрахімічнага прымянення.

Распрацоўка новых трохмерных металічных матэрыялаў з кіпрай структурай і высокай удзельнай плошчай паверхні прыцягнула значную ўвагу з-за іх патэнцыялу памяншаць даўжыню дыфузіі іёнаў і павялічваць іонную і электронную праводнасць. Такім чынам, перспектыўным напрамкам распрацоўкі электракаталізатараў з'яўляецца камбінаванне розных структурных памераў з мэтай стварэння нанаструктураванага кампазіта носьбітаў каталізатара, якія забяспечваюць высокую праводнасць, вялікую плошчу паверхні і высокую стабільнасць.Успенены нікель(NF), камерцыйна даступны і недарагі матэрыял, шырока выкарыстоўваецца ў якасці падкладкі і носьбіта для электродных матэрыялаў з-за жаданай трохмернай структуры з адкрытымі порамі, высокай электраправоднасці і вялікай удзельнай плошчы паверхні. Мікрапоры і зубчасты паток каналы ўнутры НФ таксама забяспечваюць добры масаперанос і вялікую плошчу паверхні на адзінку плошчы. Розныя падкладкі, у тым ліку розныя металічныя пены, сеткі, фальга і тканіны, былі даследаваны ў якасці калектараў для электрахімічных прымянення, такіх як літый-іённыя батарэі, суперкандэнсатары, сонечныя батарэі і расшчапленне вады. У прыватнасці, порыстыя NFs прыцягнулі ўвагу з-за іх нізкай кошту, электраправоднасці і вялікай плошчы электраактыўнай паверхні, што ідэальна падыходзіць для загрузкі каталізатараў і павелічэння электрахімічна актыўных цэнтраў. Акрамя таго, порыстыя НФ маюць перавагі ў павышэнні масавага транспарту электралітаў, што робіць іх прыдатнымі кандыдатамі для токапрыёмнікаў з вялікай плошчай паверхні ў энергетычных прымяненнях. Непасрэдны рост актыўных матэрыялаў на нікелевай пене таксама ўзмацняе кантакт каталізатара і падкладкі для эфектыўнага пераносу электронаў у рэакцыях воднага крэкінгу. У той час як электроды суперкандэнсатараў і акумулятараў застаюцца асноўнымі прымяненнямі NF, нядаўнія даследаванні паказалі, што электродныя матэрыялы, нанесеныя на гэты матэрыял, валодаюць лепшай OER актыўнасцю, чым Ni фальга і сеткі. Гэтыя матэрыялы могуць прымяняцца як у натуральным выглядзе, так і аздобленыя актыўнымі матэрыяламі, а пенапласты могуць выкарыстоўвацца як у якасці калектараў, так і ў якасці апорных падкладак. Такім чынам, вырошчванне нанаструктураванага, багатага зямлёй каталітычнага матэрыялу на падкладках NF перспектыўнае для распрацоўкі сучасных электродных матэрыялаў для прылад захоўвання/пераўтварэння энергіі. Нягледзячы на ​​​​тое, што багатыя зямлёй электракаталізатары, вырашчаныя непасрэдна на нікелевай пене, звычайна даступныя, трохмерныя электроды на нікелевай пене для OER і HER шырока не даследаваліся, хоць яны ўяўляюць сабой кіпрыя іерархічныя структуры, якія недарагія і простыя ў вырабе.