Utnyttelse av nanostrukturerte materialer på tredimensjonale nikkelskummaterialer som elektrokatalysatorer for vannsprekking

Uttømmingen av fossilt brensel og økende bekymring for energi- og miljøspørsmål har ført til omfattende forskningsinnsats for å utvikle alternative energikilder.Elektrokjemisk elektrolysevann anses som en lovende strategi for produksjon av hydrogendrivstoff. Effektiv vannkrakking krever imidlertid effektive og holdbare elektrokatalysatorer som kan akselerere kinetikken til oksygenekstraksjonsreaksjonen (OER) og hydrogenekstraksjonsreaksjonen (HER). Edelmetallholdige katalysatorer, som Pt og dets legeringer, RuO2 og IrO2, er for tiden de mest effektive katalysatorene for å katalysere OER og HER. Imidlertid har de høye kostnadene og knappheten på edelmetaller hindret deres storskala anvendelse og utvikling av fornybare energiteknologier. For å overvinne disse begrensningene har det blitt gjort betydelige anstrengelser for å designe og syntetisere ikke-edelmetallelektrokatalysatorer ved å bruke jordrike materialer som økonomiske alternativer til OER og OERHER. Overgangsmetalloksider, sulfider, fosfider, karbonmaterialer, selenider og blandede metallkomplekser har blitt grundig studert og har vist lovende ytelse for OER og HER. Imidlertid krever de fleste av disse elektrokatalysatorene høyere overpotensiale enn edelmetallbaserte katalysatorer, og det er fortsatt avgjørende å forbedre deres stabilitet. Derfor er det et presserende behov for å utvikle en rimelig og effektiv alternativ elektrodestruktur med høy aktivitet og langsiktig stabilitet for effektiv vannsplitting.

Innen elektrokjemiske applikasjoner, har to hovedstrategier blitt brukt for å klargjøre elektroder. Den første og mest brukte teknikken innebærer bruk av katalysatorer i pulverform. Vanligvis er elektroder konstruert ved å bruke oppslemminger av elektroaktive materialer, konduktivitetsforsterkere og lim på ledende underlag. Denne tilnærmingen er imidlertid ikke uten ulemper. Den største ulempen er kravet til et elektrisk isolerende bindemiddel, som reduserer kontaktflaten mellom elektrolytten og katalysatoren. Dette kan føre til blokkering av de katalytisk aktive stedene, noe som resulterer i høy motstand og redusert elektrokatalytisk ytelse. I tillegg er elektrodene relativt ustabile, da den vedlagte katalysatoren har en tendens til å flasse av fra det ledende substratet ved høye strømtettheter. Den andre hovedstrategien for elektrodepreparering er bruk av edelmetallbaserte materialer som elektroavsettes direkte på det ledende substratet, som nikkelskum, kobberfolie, karbonduk eller papir, FTO, rustfritt stål og nikkelfolie. Denne tilnærmingen er imidlertid ikke uten sine begrensninger. Det er vanskelig å nøyaktig kontrollere det tilgjengelige rommet mellom de avsatte aktive materialene, og derfor reduseres elektrodeytelsen med økende filmtykkelse på grunn av substratets utilgjengelighet til de katalytisk aktive stedene inne. I tillegg hindrer metodens kompleksitet og høye pris i stor grad dens praktiske anvendelse. Derfor er utviklingen av kostnadseffektive fabrikasjonsteknikker fortredimensjonale (3D) elektroderer nødvendig for vellykkede elektrokjemiske applikasjoner.

Utviklingen av nye tredimensjonale metalliske materialer med porøse strukturer og høye spesifikke overflatearealer har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet på grunn av deres potensial til å redusere ione-diffusjonslengden og øke ionisk og elektronisk ledningsevne. Derfor er en lovende retning for elektrokatalysatordesign å kombinere ulike strukturelle dimensjoner for å skape en nanostrukturert kompositt av katalysatorbærere som gir høy ledningsevne, stort overflateareal og høy stabilitet.Nikkelskum(NF), et kommersielt tilgjengelig og billig materiale, har blitt mye brukt som et substrat og bærer for elektrodematerialer på grunn av dens ønskelige tredimensjonale åpne-pore-struktur, høye elektriske ledningsevne og store spesifikke overflateareal. Mikroporene og taggete strømning kanaler innenfor NF-ene gir også god masseoverføring og stort overflateareal per arealenhet. Ulike substrater, inkludert forskjellige metallskum, netting, folier og stoffer, har blitt utforsket som samlere for elektrokjemiske applikasjoner som litiumionbatterier, superkondensatorer, solceller og vannsplitting. Spesielt har porøse NF-er tiltrukket seg oppmerksomhet på grunn av deres lave kostnader, elektriske ledningsevne og store elektroaktive overflateareal, som er ideell for å laste katalysatorer og øke elektrokjemiske aktive steder. I tillegg har porøse NF-er fordeler ved å forbedre massetransporten av elektrolytter, noe som gjør dem til egnede kandidater for strømkollektorer med høy overflate i energiapplikasjoner. Direkte vekst av aktive materialer på nikkelskum forbedrer også kontakten mellom katalysator og substrat for effektiv elektronoverføring i vannsprekkereaksjoner. Mens superkondensator- og batterielektroder fortsatt er hovedapplikasjonene for NF-er, har nyere studier vist at elektrodematerialer avsatt på dette materialet har overlegen OER-aktivitet enn Ni-folier og nett. Disse materialene kan påføres enten i sin naturlige form eller dekoreres med aktive materialer, og skummet kan brukes både som samlere og støttesubstrater. Veksten av et nanostrukturert, jordrikt katalytisk materiale på NF-substrater lover derfor utviklingen av avanserte elektrodematerialer for energilagrings-/konverteringsenheter. Selv om jordrike elektrokatalysatorer dyrket direkte på nikkelskum er vanlig tilgjengelig, har tredimensjonale elektroder på nikkelskum for OER og HER ikke blitt grundig undersøkt, selv om de er porøse hierarkiske strukturer som er rimelige og enkle å fremstille.