Përdorimi i materialeve me nanostrukturë në materialet tredimensionale të shkumës së nikelit si elektrokatalizatorë për plasaritjen e ujit

Shkarkimi i lëndëve djegëse fosile dhe shqetësimet në rritje për çështjet e energjisë dhe mjedisit kanë çuar në përpjekje të gjera kërkimore për të zhvilluar burime alternative të energjisë.Elektroliza elektrokimikee ujit konsiderohet një strategji premtuese për prodhimin e karburantit të hidrogjenit. Megjithatë, plasaritja efikase e ujit kërkon elektrokatalizatorë efikasë dhe të qëndrueshëm që mund të përshpejtojnë kinetikën e reaksionit të nxjerrjes së oksigjenit (OER) dhe reaksionit të nxjerrjes së hidrogjenit (HER). Katalizatorët që përmbajnë metal fisnik, si Pt dhe lidhjet e tij, RuO2 dhe IrO2, janë aktualisht katalizatorët më efikas për katalizimin e OER dhe HER. Megjithatë, kostoja e lartë dhe mungesa e metaleve fisnike kanë penguar aplikimin e tyre në shkallë të gjerë dhe zhvillimin e teknologjive të energjisë së rinovueshme. Për të kapërcyer këto kufizime, janë bërë përpjekje të konsiderueshme për të projektuar dhe sintetizuar elektrokatalizatorë të metaleve jo të çmuar duke përdorur materiale të bollshme në tokë si alternativa ekonomike ndaj OER dhe OERHER. Oksidet e metaleve kalimtare, sulfidet, fosfidet, materialet e karbonit, selenidet dhe komplekset e metaleve të përziera janë studiuar gjerësisht dhe kanë treguar performancë premtuese për OER dhe HER. Megjithatë, shumica e këtyre elektrokatalizatorëve kërkojnë mbipotenciale më të larta se katalizatorët me bazë metali fisnik, dhe përmirësimi i qëndrueshmërisë së tyre mbetet thelbësor. Prandaj, ekziston një nevojë urgjente për të zhvilluar një strukturë elektrodë alternative me kosto të ulët dhe efikase me aktivitet të lartë dhe stabilitet afatgjatë për ndarje efikase të ujit.

Në fushën e aplikimeve elektrokimike, janë përdorur dy strategji kryesore për përgatitjen e elektrodave. Teknika e parë dhe më e përdorur gjerësisht përfshin përdorimin e katalizatorëve në formë pluhuri. Në mënyrë tipike, elektrodat ndërtohen duke përdorur llucë materialesh elektroaktive, përmirësues përçueshmërie dhe ngjitës në nënshtresa përçuese. Sidoqoftë, kjo qasje nuk është pa të meta. Disavantazhi kryesor është kërkesa për një lidhës elektrik izolues, i cili redukton zonën e kontaktit midis elektrolitit dhe katalizatorit. Kjo mund të çojë në bllokimin e vendeve katalitike aktive, duke rezultuar në rezistencë të lartë dhe reduktim të performancës elektrokatalitike. Përveç kësaj, elektrodat janë relativisht të paqëndrueshme, pasi katalizatori i bashkangjitur tenton të shkëputet nga nënshtresa përcjellëse në densitet të lartë të rrymës. Strategjia e dytë kryesore për përgatitjen e elektrodave është përdorimi i materialeve me bazë metali fisnik, të cilat elektrodepozitohen drejtpërdrejt në nënshtresën përcjellëse, si shkuma e nikelit, fletë metalike prej bakri, pëlhura ose letra karboni, FTO, çelik inox dhe fletë nikel. Sidoqoftë, kjo qasje nuk është pa kufizimet e saj. Është e vështirë të kontrollohet saktësisht hapësira e aksesueshme midis materialeve aktive të depozituara dhe, për rrjedhojë, performanca e elektrodës zvogëlohet me rritjen e trashësisë së filmit për shkak të paarritshmërisë së substratit në vendet katalitike aktive brenda. Për më tepër, kompleksiteti dhe kostoja e lartë e metodës pengojnë shumë zbatimin e saj praktik. Prandaj, zhvillimi i teknikave të fabrikimit me kosto efektive përelektroda tredimensionale (3D).është e nevojshme për aplikime të suksesshme elektrokimike.

Zhvillimi i materialeve të reja metalike tre-dimensionale me struktura poroze dhe sipërfaqe të larta specifike ka tërhequr vëmendje të konsiderueshme për shkak të potencialit të tyre për të zvogëluar gjatësinë e difuzionit të joneve dhe për të rritur përçueshmërinë jonike dhe elektronike. Prandaj, një drejtim premtues për dizajnin e elektrokatalizatorit është kombinimi i dimensioneve të ndryshme strukturore në mënyrë që të krijohet një përbërje nanostrukturore e bartësve katalizatorë që ofrojnë përçueshmëri të lartë, sipërfaqe të madhe dhe stabilitet të lartë.Shkumë nikel(NF), një material komercialisht i disponueshëm dhe i lirë, është përdorur gjerësisht si një substrat dhe bartës për materialet e elektrodës për shkak të strukturës së tij të dëshirueshme tre-dimensionale me pore të hapura, përçueshmërisë së lartë elektrike dhe sipërfaqes së madhe specifike. Mikroporet dhe rrjedha e dehur kanalet brenda NF-ve sigurojnë gjithashtu transferim të mirë të masës dhe sipërfaqe të madhe për njësi sipërfaqe. Nënshtresa të ndryshme, duke përfshirë shkume të ndryshme metalike, rrjeta, fletë dhe pëlhura, janë eksploruar si kolektorë për aplikime elektrokimike si bateritë litium-jon, superkondensatorët, qelizat diellore dhe ndarjen e ujit. Në veçanti, NF-të poroze kanë tërhequr vëmendjen për shkak të kostos së tyre të ulët, përçueshmërisë elektrike dhe sipërfaqes së madhe elektroaktive, e cila është ideale për ngarkimin e katalizatorëve dhe rritjen e vendeve aktive elektrokimike. Përveç kësaj, NF-të poroze kanë avantazhe në rritjen e transportit masiv të elektroliteve, duke i bërë ata kandidatë të përshtatshëm për kolektorë të rrymës me sipërfaqe të lartë në aplikimet e energjisë. Rritja e drejtpërdrejtë e materialeve aktive në shkumën e nikelit gjithashtu rrit kontaktin katalizator-substrat për transferimin efikas të elektroneve në reaksionet e çarjes së ujit. Ndërsa elektrodat e superkondensatorëve dhe baterive mbeten aplikimet kryesore për NF-të, studimet e fundit kanë treguar se materialet e elektrodave të depozituara në këtë material kanë aktivitet më të lartë OER sesa fletët dhe rrjetat Ni. Këto materiale mund të aplikohen ose në formën e tyre natyrale ose të zbukurohen me materiale aktive, dhe shkumat mund të përdoren edhe si grumbullues dhe si nënshtresa mbështetëse. Kështu, rritja e një materiali katalitik të nanostrukturuar dhe të pasur me tokë në nënshtresat NF premton zhvillimin e materialeve të avancuara të elektrodës për pajisjet e ruajtjes/konvertimit të energjisë. Megjithëse elektrokatalizatorët e pasur me tokë të rritur direkt në shkumë nikel janë zakonisht të disponueshëm, elektrodat tre-dimensionale mbi shkumën e nikelit për OER dhe HERs nuk janë hetuar gjerësisht, megjithëse ato janë struktura hierarkike poroze që janë me kosto të ulët dhe të lehta për t'u fabrikuar.