Ang paggamit ng mga nanostructured na materyales sa tatlong-dimensional na nickel foam na materyales bilang mga electrocatalyst para sa pag-crack ng tubig

Ang pagkaubos ng mga fossil fuel at lumalaking alalahanin tungkol sa enerhiya at mga isyu sa kapaligiran ay humantong sa malawak na pagsisikap sa pananaliksik upang bumuo ng mga alternatibong mapagkukunan ng enerhiya.Electrochemical electrolysisng tubig ay itinuturing na isang promising na diskarte para sa produksyon ng hydrogen fuel. Gayunpaman, ang mahusay na pag-crack ng tubig ay nangangailangan ng mahusay at matibay na electrocatalyst na maaaring mapabilis ang kinetics ng oxygen-extraction reaction (OER) at hydrogen-extraction reaction (HER). Ang mga noble metal-containing catalysts, tulad ng Pt at ang mga haluang metal nito, RuO2 at IrO2, ay kasalukuyang pinakamahusay na catalyst para sa pag-catalyze ng OER at HER. Gayunpaman, ang mataas na halaga at kakulangan ng mga marangal na metal ay humadlang sa kanilang malakihang aplikasyon at pag-unlad ng mga teknolohiyang nababagong enerhiya. Upang malampasan ang mga limitasyong ito, maraming pagsisikap ang ginawa upang magdisenyo at mag-synthesize ng mga di-mahalagang metal na electrocatalyst gamit ang mga materyal na sagana sa lupa bilang matipid na alternatibo sa OER at OERHER. Ang mga transition metal oxide, sulfides, phosphides, carbon material, selenides, at mixed-metal complex ay malawakang pinag-aralan at nagpakita ng magandang pagganap para sa OER at HER. Gayunpaman, karamihan sa mga electrocatalyst na ito ay nangangailangan ng mas mataas na mga overpotential kaysa sa mga marangal na metal-based na catalyst, at ang pagpapabuti ng kanilang katatagan ay nananatiling mahalaga. Samakatuwid, mayroong isang kagyat na pangangailangan na bumuo ng isang mura at mahusay na alternatibong istruktura ng elektrod na may mataas na aktibidad at pangmatagalang katatagan para sa mahusay na paghahati ng tubig.

Sa larangan ng mga aplikasyon ng electrochemical, dalawang pangunahing estratehiya ang ginamit upang maghanda ng mga electrodes. Ang una at pinaka-malawak na ginagamit na pamamaraan ay nagsasangkot ng paggamit ng mga katalista sa pulbos na anyo. Karaniwan, ang mga electrodes ay itinatayo sa pamamagitan ng paggamit ng mga slurries ng mga electroactive na materyales, conductivity enhancer, at adhesives sa conductive substrates. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay hindi walang mga kakulangan. Ang pangunahing kawalan ay ang pangangailangan para sa isang electrically insulating binder, na binabawasan ang contact area sa pagitan ng electrolyte at ng catalyst. Ito ay maaaring humantong sa pagharang sa mga catalytically active na mga site, na nagreresulta sa mataas na resistensya at nabawasan ang pagganap ng electrocatalytic. Bilang karagdagan, ang mga electrodes ay medyo hindi matatag, dahil ang nakakabit na katalista ay may posibilidad na mag-alis mula sa conducting substrate sa mataas na kasalukuyang density. Ang pangalawang pangunahing diskarte para sa paghahanda ng elektrod ay ang paggamit ng mga marangal na materyales na nakabatay sa metal na direktang nakadeposito sa conductive substrate, tulad ng nickel foam, copper foil, carbon cloth o papel, FTO, stainless steel at nickel foil. Gayunpaman, ang diskarte na ito ay hindi walang mga limitasyon. Mahirap na tumpak na kontrolin ang naa-access na espasyo sa pagitan ng mga nakadeposito na aktibong materyales at, samakatuwid, ang pagganap ng elektrod ay lumiliit sa pagtaas ng kapal ng pelikula dahil sa hindi naa-access ng substrate sa catalytically active na mga site sa loob. Bilang karagdagan, ang pagiging kumplikado at mataas na gastos ng pamamaraan ay lubos na humahadlang sa praktikal na aplikasyon nito. Samakatuwid, ang pagbuo ng cost-effective na mga diskarte sa paggawa para sathree-dimensional (3D) na mga electrodesay kinakailangan para sa matagumpay na mga aplikasyon ng electrochemical.

Ang pagbuo ng mga bagong three-dimensional na metal na materyales na may mga porous na istruktura at mataas na tiyak na mga lugar sa ibabaw ay nakakaakit ng malaking pansin dahil sa kanilang potensyal na bawasan ang haba ng pagsasabog ng ion at dagdagan ang ionic at electronic conductivity. Samakatuwid, ang isang promising na direksyon para sa disenyo ng electrocatalyst ay upang pagsamahin ang iba't ibang mga sukat ng istruktura upang lumikha ng isang nanostructured composite ng mga carrier ng catalyst na nagbibigay ng mataas na kondaktibiti, malaking lugar sa ibabaw at mataas na katatagan.Nickel foamAng (NF), isang komersyal na magagamit at murang materyal, ay malawakang ginagamit bilang substrate at carrier para sa mga materyales ng elektrod dahil sa kanais-nais nitong three-dimensional na open-pore na istraktura, mataas na electrical conductivity, at malaking partikular na surface area. Ang micropores at jagged flow. ang mga channel sa loob ng mga NF ay nagbibigay din ng magandang mass transfer at malaking surface area sa bawat unit area. Ang iba't ibang substrate, kabilang ang iba't ibang metal foams, meshes, foil at tela, ay na-explore bilang mga collectors para sa mga electrochemical application tulad ng mga lithium-ion na baterya, supercapacitors, solar cell at water splitting. Sa partikular, ang mga porous na NF ay nakakuha ng pansin dahil sa kanilang mababang gastos, electrical conductivity, at malaking electroactive surface area, na perpekto para sa paglo-load ng mga catalyst at pagtaas ng mga electrochemical active site. Bilang karagdagan, ang mga porous na NF ay may mga pakinabang sa pagpapahusay ng mass transport ng mga electrolyte, na ginagawa silang angkop na mga kandidato para sa mga kasalukuyang collector ng mataas na surface area sa mga aplikasyon ng enerhiya. Ang direktang paglaki ng mga aktibong materyales sa nickel foam ay nagpapahusay din ng catalyst-substrate contact para sa mahusay na paglilipat ng elektron sa mga reaksyon ng pag-crack ng tubig. Habang ang mga supercapacitor at mga electrodes ng baterya ay nananatiling pangunahing mga aplikasyon para sa mga NF, ipinakita ng mga kamakailang pag-aaral na ang mga materyales ng elektrod na idineposito sa materyal na ito ay may higit na aktibidad ng OER kaysa sa mga Ni foil at lambat. Ang mga materyales na ito ay maaaring ilapat alinman sa kanilang natural na anyo o pinalamutian ng mga aktibong materyales, at ang mga foam ay maaaring magamit kapwa bilang mga kolektor at mga substrate ng suporta. Kaya, ang paglaki ng isang nanostructured, earth-rich catalytic material sa mga substrate ng NF ay nangangako para sa pagbuo ng mga advanced na materyales sa elektrod para sa mga device na imbakan/convert ng enerhiya. Bagama't karaniwang available ang mga electrocatalyst na mayaman sa lupa na direktang lumago sa nickel foam, ang mga three-dimensional na electrodes sa nickel foam para sa mga OER at HER ay hindi pa gaanong naimbestigahan, bagama't ang mga ito ay mga porous na hierarchical na istruktura na mura at madaling gawa.