Использование наноструктурированных материалов на основе трехмерных никелевых пеноматериалов в качестве электрокатализаторов для крекинга воды

Истощение запасов ископаемого топлива и растущая обеспокоенность по поводу энергетических и экологических проблем привели к активизации исследований по разработке альтернативных источников энергии.Электрохимический электролизводы считается перспективной стратегией для производства водородного топлива. Однако для эффективного крекинга воды требуются эффективные и долговечные электрокатализаторы, которые могут ускорить кинетику реакции извлечения кислорода (OER) и реакции извлечения водорода (HER). БлагородныйМеталл-содержащие катализаторы, такие как Pt и ее сплавы, RuO2 и IrO2, в настоящее время являются наиболее эффективными катализаторами для катализа OER и HER. Однако высокая стоимость и дефицит благородных металлов препятствуют их широкомасштабному применению и развитию технологий возобновляемой энергии. Чтобы преодолеть эти ограничения, были предприняты значительные усилия по разработке и синтезу электрокатализаторов из недрагоценных металлов с использованием широко распространенных на Земле материалов в качестве экономичных альтернатив OER и OERHER. Оксиды переходных металлов, сульфиды, фосфиды, углеродные материалы, селениды и комплексы смешанных металлов были тщательно изучены и показали многообещающие характеристики для OER и HER. Однако большинство этих электрокатализаторов требуют более высоких перенапряжений, чем катализаторы на основе благородных металлов, и улучшение их стабильности остается критически важным. Поэтому существует острая необходимость в разработке недорогой и эффективной альтернативной структуры электрода с высокой активностью и долгосрочной стабильностью для эффективного расщепления воды.

В области электрохимических применений, для подготовки электродов использовались две основные стратегии. Первая и наиболее широко используемая технология подразумевает использование катализаторов в порошкообразной форме. Обычно электроды изготавливаются с использованием суспензий электроактивных материалов, усилителей проводимости и клеев на проводящих подложках. Однако этот подход не лишен недостатков. Главным недостатком является необходимость в электроизолирующем связующем, которое уменьшает площадь контакта между электролитом и катализатором. Это может привести к блокировке каталитически активных участков, что приводит к высокому сопротивлению и снижению электрокаталитических характеристик. Кроме того, электроды относительно нестабильны, поскольку прикрепленный катализатор имеет тенденцию отслаиваться от проводящей подложки при высоких плотностях тока. Вторая основная стратегия подготовки электродов заключается в использовании материалов на основе благородных металлов, которые электроосаждаются непосредственно на проводящую подложку, например, никельМыло, медная фольга, углеродная ткань или бумага, FTO, нержавеющая сталь и никелевая фольга. Однако этот подход не лишен своих ограничений. Трудно точно контролировать доступное пространство между нанесенными активными материалами, и, следовательно, производительность электрода снижается с увеличением толщины пленки из-за недоступности подложки к каталитически активным центрам внутри. Кроме того, сложность и высокая стоимость метода значительно затрудняют его практическое применение. Поэтому разработка экономически эффективных методов изготовления длятрехмерные (3D) электродынеобходим для успешного электрохимического применения.

Разработка новых трехмерных металлических материалов с пористой структурой и высокой удельной поверхностью привлекла значительное внимание из-за их потенциала для сокращения длины диффузии ионов и увеличения ионной и электронной проводимости. Поэтому перспективным направлением для проектирования электрокатализаторов является объединение различных структурных размеров с целью создания наноструктурированного композита носителей катализатора, обеспечивающего высокую проводимость, большую площадь поверхности и высокую стабильность.Никелевая пена(NF), коммерчески доступный и недорогой материал, широко используется в качестве подложки и носителя для электродных материалов из-за его желаемой трехмерной структуры с открытыми порами, высокой электропроводности и большой удельной площади поверхности. Микропоры и зубчатые каналы потока внутри NF также обеспечивают хороший массоперенос и большую площадь поверхности на единицу площади. Различные подложки, включая различные металлические пены, сетки, фольги и ткани, были исследованы в качестве коллекторов для электрохимических применений, таких как литий-ионные батареи, суперконденсаторы, солнечные элементы и расщепление воды. В частности, пористые NF привлекли внимание из-за их низкой стоимости, электропроводности и большой электроактивной площади поверхности, что идеально подходит для загрузки катализаторов и увеличения электрохимических активных участков. Кроме того, пористые NF имеют преимущества в улучшении массопереноса электролитов, что делает их подходящими кандидатами для токосъемников с большой площадью поверхности в энергетических приложениях. Прямой рост активных материалов на никелевой пене также улучшает контакт катализатора с подложкой для эффективного переноса электронов в реакциях крекинга воды. Хотя электроды суперконденсаторов и аккумуляторов остаются основными приложениями для NF, недавние исследования показали, что электродные материалы, нанесенные на этот материал, обладают более высокой активностью OER, чем никелевые фольги и сетки. Эти материалы могут применяться как в их естественной форме, так и декорироваться активными материалами, а пены могут использоваться как в качестве коллекторов, так и в качестве опорных подложек. Таким образом, рост наноструктурированного, богатого землей каталитического материала на подложках NF обещает разработку усовершенствованных электродных материалов для устройств хранения/преобразования энергии. Хотя богатые землей электрокатализаторы, выращенные непосредственно на никелевой пене, широко доступны, трехмерные электроды на никелевой пене для OER и HER не были широко исследованы, хотя они представляют собой пористые иерархические структуры, которые являются недорогими и простыми в изготовлении.