Gebruik van nanogestructureerde materialen op driedimensionale nikkelschuimmaterialen als elektrokatalysatoren voor waterkraken

De uitputting van fossiele brandstoffen en de toenemende bezorgdheid over energie- en milieuproblemen hebben geleid tot uitgebreide onderzoeksinspanningen om alternatieve energiebronnen te ontwikkelen.Elektrochemische elektrolyseWater wordt beschouwd als een veelbelovende strategie voor de productie van waterstof als brandstof. Efficiënt waterkraken vereist echter efficiënte en duurzame elektrokatalysatoren die de kinetiek van de zuurstofextractiereactie (OER) en waterstofextractiereactie (HER) kunnen versnellen.MetaalKatalysatoren met Pt-verbindingen, zoals Pt en zijn legeringen, RuO2 en IrO2, zijn momenteel de meest efficiënte katalysatoren voor het katalyseren van OER en HER. De hoge kosten en schaarste van edelmetalen hebben echter hun grootschalige toepassing en de ontwikkeling van technologieën voor hernieuwbare energie belemmerd. Om deze beperkingen te overwinnen, zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om elektrokatalysatoren van niet-edele metalen te ontwerpen en te synthetiseren met behulp van in de aarde overvloedig aanwezige materialen als economische alternatieven voor OER en OERHER. Overgangsmetaaloxiden, sulfiden, fosfiden, koolstofmaterialen, seleniden en gemengde metaalcomplexen zijn uitgebreid bestudeerd en hebben veelbelovende prestaties getoond voor OER en HER. De meeste van deze elektrokatalysatoren vereisen echter hogere overpotentialen dan katalysatoren op basis van edelmetalen, en het verbeteren van hun stabiliteit blijft cruciaal. Daarom is er een dringende behoefte aan de ontwikkeling van een goedkope en efficiënte alternatieve elektrodestructuur met hoge activiteit en langetermijnstabiliteit voor efficiënte watersplitsing.

Op het gebied van elektrochemische toepassingenEr zijn twee belangrijke strategieën gebruikt voor de bereiding van elektroden. De eerste en meest gebruikte techniek betreft het gebruik van katalysatoren in poedervorm. Elektroden worden doorgaans vervaardigd met behulp van slurries van elektroactieve materialen, geleidbaarheidsverbeteraars en kleefstoffen op geleidende substraten. Deze aanpak kent echter ook nadelen. Het grootste nadeel is de noodzaak van een elektrisch isolerend bindmiddel, waardoor het contactoppervlak tussen de elektrolyt en de katalysator kleiner wordt. Dit kan leiden tot blokkering van de katalytisch actieve plaatsen, wat resulteert in een hoge weerstand en verminderde elektrokatalytische prestaties. Bovendien zijn de elektroden relatief onstabiel, omdat de aangehechte katalysator bij hoge stroomdichtheden de neiging heeft los te laten van het geleidende substraat. De tweede belangrijke strategie voor de bereiding van elektroden is het gebruik van materialen op basis van edelmetalen die direct op het geleidende substraat worden aangebracht, zoals nikkel.Schuim, koperfolie, koolstofdoek of -papier, FTO, roestvrij staal en nikkelfolie. Deze aanpak kent echter ook beperkingen. Het is moeilijk om de toegankelijke ruimte tussen de afgezette actieve materialen nauwkeurig te regelen, waardoor de prestaties van de elektrode afnemen met toenemende filmdikte, vanwege de ontoegankelijkheid van het substraat tot de katalytisch actieve plaatsen binnenin. Bovendien belemmeren de complexiteit en de hoge kosten van de methode de praktische toepassing ervan aanzienlijk. Daarom is de ontwikkeling van kosteneffectieve fabricagetechnieken voordriedimensionale (3D) elektrodenis noodzakelijk voor succesvolle elektrochemische toepassingen.

De ontwikkeling van nieuwe driedimensionale metalen met poreuze structuren en hoge specifieke oppervlakken heeft veel aandacht getrokken vanwege hun potentieel om de ionendiffusielengte te verkorten en de ionische en elektronische geleidbaarheid te verhogen. Een veelbelovende richting voor het ontwerp van elektrokatalysatoren is dan ook het combineren van verschillende structurele dimensies om een ​​nanogestructureerd composiet van katalysatordragers te creëren dat een hoge geleidbaarheid, een groot oppervlak en een hoge stabiliteit biedt.Nikkelschuim(NF), een commercieel verkrijgbaar en goedkoop materiaal, wordt veel gebruikt als substraat en drager voor elektrodematerialen vanwege de gewenste driedimensionale open poriënstructuur, hoge elektrische geleidbaarheid en grote specifieke oppervlakte. De microporiën en gekartelde stromingskanalen in de NF's zorgen ook voor een goede massaoverdracht en een groot oppervlak per oppervlakte-eenheid. Verschillende substraten, waaronder verschillende metaalschuimen, gaassoorten, folies en weefsels, zijn onderzocht als collectoren voor elektrochemische toepassingen zoals lithium-ionbatterijen, supercondensatoren, zonnecellen en watersplitsing. Poreuze NF's hebben met name de aandacht getrokken vanwege hun lage kosten, elektrische geleidbaarheid en grote elektroactieve oppervlakte, wat ideaal is voor het laden van katalysatoren en het vergroten van elektrochemische actieve plaatsen. Bovendien hebben poreuze NF's voordelen bij het verbeteren van het massatransport van elektrolyten, waardoor ze geschikte kandidaten zijn voor stroomcollectoren met een groot oppervlak in energietoepassingen. Directe groei van actieve materialen op nikkelschuim verbetert ook het contact tussen katalysator en substraat voor efficiënte elektronenoverdracht in waterkraakreacties. Hoewel elektroden van supercondensatoren en batterijen de belangrijkste toepassingen voor NF's blijven, hebben recente studies aangetoond dat elektrodematerialen die op dit materiaal zijn afgezet een superieure OER-activiteit hebben dan Ni-folies en -netten. Deze materialen kunnen zowel in hun natuurlijke vorm worden aangebracht als gedecoreerd met actieve materialen, en de schuimen kunnen zowel als collectoren als als dragende substraten worden gebruikt. De groei van een nanogestructureerd, aardrijk katalytisch materiaal op NF-substraten biedt daarom perspectief voor de ontwikkeling van geavanceerde elektrodematerialen voor energieopslag-/omzettingsapparaten. Hoewel aardrijke elektrokatalysatoren die direct op nikkelschuim worden gekweekt algemeen verkrijgbaar zijn, zijn driedimensionale elektroden op nikkelschuim voor OER's en HER's nog niet uitgebreid onderzocht, hoewel het poreuze hiërarchische structuren zijn die goedkoop en eenvoudig te fabriceren zijn.