Upotreba nanostrukturiranih materijala na trodimenzionalnim materijalima od nikalne pjene kao elektrokatalizatora za krekiranje vode

Iscrpljivanje fosilnih goriva i rastuća zabrinutost oko energetskih i ekoloških pitanja doveli su do opsežnih istraživačkih napora za razvoj alternativnih izvora energije.Elektrohemijska elektrolizavode se smatra obećavajućom strategijom za proizvodnju vodikovog goriva. Međutim, efikasno krekiranje vode zahtijeva efikasne i izdržljive elektrokatalizatore koji mogu ubrzati kinetiku reakcije ekstrakcije kisika (OER) i reakcije ekstrakcije vodonika (HER). Katalizatori koji sadrže plemenite metale, kao što su Pt i njegove legure, RuO2 i IrO2, trenutno su najefikasniji katalizatori za katalizu OER i HER. Međutim, visoka cijena i oskudica plemenitih metala ometali su njihovu široku primjenu i razvoj tehnologija obnovljivih izvora energije. Da bi se prevazišla ova ograničenja, uloženi su značajni napori da se dizajniraju i sintetiziraju elektrokatalizatori koji nisu plemeniti metali koristeći materijale bogate zemljom kao ekonomične alternative OER-u i OERHER-u. Oksidi prelaznih metala, sulfidi, fosfidi, ugljenični materijali, selenidi i kompleksi mešanih metala su opsežno proučavani i pokazali su obećavajuće performanse za OER i HER. Međutim, većina ovih elektrokatalizatora zahtijeva veće prenapone od katalizatora na bazi plemenitih metala, a poboljšanje njihove stabilnosti ostaje ključno. Stoga postoji hitna potreba za razvojem jeftine i efikasne alternativne strukture elektrode sa visokom aktivnošću i dugotrajnom stabilnošću za efikasno cijepanje vode.

U oblasti elektrohemijskih aplikacija, dvije glavne strategije su korištene za pripremu elektroda. Prva i najčešće korištena tehnika uključuje upotrebu katalizatora u obliku praha. Tipično, elektrode se izrađuju korištenjem suspenzije elektroaktivnih materijala, pojačivača provodljivosti i ljepila na vodljivim podlogama. Međutim, ovaj pristup nije bez nedostataka. Glavni nedostatak je potreba za električnim izolacijskim vezivom, koje smanjuje kontaktnu površinu između elektrolita i katalizatora. To može dovesti do blokiranja katalitički aktivnih mjesta, što rezultira velikom otpornošću i smanjenim elektrokatalitičkim performansama. Osim toga, elektrode su relativno nestabilne, jer pričvršćeni katalizator ima tendenciju da se odlijepi od provodne podloge pri visokim gustoćama struje. Druga glavna strategija za pripremu elektroda je upotreba materijala na bazi plemenitih metala koji se elektrodeponiraju direktno na vodljivu podlogu, kao što su niklova pjena, bakarna folija, karbonska tkanina ili papir, FTO, nehrđajući čelik i folija od nikla. Međutim, ovaj pristup nije bez svojih ograničenja. Teško je precizno kontrolisati pristupni prostor između deponovanih aktivnih materijala i, stoga, performanse elektrode opadaju sa povećanjem debljine filma zbog nedostupnosti supstrata katalitički aktivnim mestima unutra. Osim toga, složenost i visoka cijena metode uvelike ometaju njenu praktičnu primjenu. Stoga je razvoj isplativih tehnika izrade zatrodimenzionalne (3D) elektrodeneophodna je za uspješne elektrohemijske primjene.

Razvoj novih trodimenzionalnih metalnih materijala sa poroznim strukturama i visokim specifičnim površinama privukao je značajnu pažnju zbog njihovog potencijala da smanje dužinu ionske difuzije i povećaju ionsku i elektronsku provodljivost. Stoga je obećavajući smjer za dizajn elektrokatalizatora kombiniranje različitih strukturnih dimenzija kako bi se stvorio nanostrukturirani kompozit nosača katalizatora koji pružaju visoku provodljivost, veliku površinu i visoku stabilnost.Niklova pjena(NF), komercijalno dostupan i jeftin materijal, naširoko se koristi kao supstrat i nosač za materijale elektroda zbog svoje poželjne trodimenzionalne strukture otvorenih pora, visoke električne provodljivosti i velike specifične površine. Mikropore i nazubljeni tok kanali unutar NF-a također pružaju dobar prijenos mase i veliku površinu po jedinici površine. Različite podloge, uključujući različite metalne pjene, mreže, folije i tkanine, istražene su kao kolektori za elektrohemijske primjene kao što su litijum-jonske baterije, superkondenzatori, solarne ćelije i cijepanje vode. Posebno su porozni NF privukli pažnju zbog svoje niske cijene, električne provodljivosti i velike elektroaktivne površine, što je idealno za punjenje katalizatora i povećanje elektrohemijskih aktivnih mjesta. Osim toga, porozni NF imaju prednosti u poboljšanju masovnog transporta elektrolita, što ih čini pogodnim kandidatima za kolektore struje velike površine u energetskim aplikacijama. Direktan rast aktivnih materijala na nikl pjeni također poboljšava kontakt katalizatora i supstrata za efikasan prijenos elektrona u reakcijama pucanja vode. Dok superkondenzatorske i baterijske elektrode ostaju glavna primjena za NF, nedavne studije su pokazale da materijali elektroda naneseni na ovaj materijal imaju superiornu OER aktivnost od Ni folija i mreža. Ovi materijali se mogu nanositi u svom prirodnom obliku ili ukrašavati aktivnim materijalima, a pjene se mogu koristiti i kao sakupljači i kao potporne podloge. Dakle, rast nanostrukturiranog, zemljom bogatog katalitičkog materijala na NF supstratima obećava razvoj naprednih elektrodnih materijala za uređaje za skladištenje/konverziju energije. Iako su elektrokatalizatori bogati zemljom koji se uzgajaju direktno na nikl pjeni obično dostupni, trodimenzionalne elektrode na nikl pjeni za OER i HERs nisu opširno istraživane, iako su porozne hijerarhijske strukture koje su jeftine i jednostavne za proizvodnju.