Üç boyutlu nikel köpük malzemelerinde su çatlatma için elektro katalizör olarak nanoyapılı malzemelerin kullanımı

Fosil yakıtların tükenmesi ve enerji ve çevre sorunlarına ilişkin artan endişeler, alternatif enerji kaynakları geliştirmek için kapsamlı araştırma çabalarına yol açmıştır.Elektrokimyasal elektrolizsuyun hidrojen yakıt üretimi için umut vadeden bir strateji olduğu düşünülmektedir. Ancak, verimli su çatlatma, oksijen çıkarma reaksiyonunun (OER) ve hidrojen çıkarma reaksiyonunun (HER) kinetiğini hızlandırabilen verimli ve dayanıklı elektrokatalizörler gerektirir. NobleMetal-Pt ve alaşımları, RuO2 ve IrO2 gibi katalizörler içeren katalizörler şu anda OER ve HER'yi katalize etmek için en verimli katalizörlerdir. Ancak, asil metallerin yüksek maliyeti ve kıtlığı, bunların büyük ölçekli uygulamalarını ve yenilenebilir enerji teknolojilerinin geliştirilmesini engellemiştir. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için, OER ve OERHER'e ekonomik alternatifler olarak dünyada bol miktarda bulunan malzemeler kullanılarak değerli olmayan metal elektro katalizörleri tasarlamak ve sentezlemek için önemli çabalar sarf edilmiştir. Geçiş metal oksitleri, sülfitler, fosfitler, karbon malzemeler, selenidler ve karışık metal kompleksleri kapsamlı bir şekilde incelenmiş ve OER ve HER için ümit verici performans göstermiştir. Ancak, bu elektro katalizörlerin çoğu, asil metal bazlı katalizörlerden daha yüksek aşırı potansiyeller gerektirir ve kararlılıklarını iyileştirmek hayati önem taşımaktadır. Bu nedenle, verimli su ayrıştırma için yüksek aktivite ve uzun vadeli kararlılığa sahip düşük maliyetli ve verimli bir alternatif elektrot yapısı geliştirmeye acil ihtiyaç vardır.

Elektrokimyasal uygulamalar alanında, elektrotları hazırlamak için iki ana strateji kullanılmıştır. İlk ve en yaygın kullanılan teknik, toz formunda katalizörlerin kullanımını içerir. Tipik olarak, elektrotlar iletken substratlar üzerinde elektroaktif malzemeler, iletkenlik arttırıcılar ve yapıştırıcılar bulamaçları kullanılarak oluşturulur. Ancak, bu yaklaşımın dezavantajları da vardır. Ana dezavantaj, elektrolit ile katalizör arasındaki temas alanını azaltan elektriksel olarak yalıtkan bir bağlayıcıya ihtiyaç duyulmasıdır. Bu, katalitik olarak aktif bölgelerin tıkanmasına yol açabilir ve bunun sonucunda yüksek direnç ve düşük elektrokimyasal performans ortaya çıkabilir. Ayrıca, elektrotlar nispeten kararsızdır çünkü bağlı katalizör yüksek akım yoğunluklarında iletken substrattan soyulma eğilimindedir. Elektrot hazırlama için ikinci ana strateji, nikel gibi doğrudan iletken substrat üzerine elektrokaplanan asil metal bazlı malzemelerin kullanılmasıdırKöpük, bakır folyo, karbon bez veya kağıt, FTO, paslanmaz çelik ve nikel folyo. Ancak, bu yaklaşımın sınırlamaları yok değildir. Biriktirilen aktif malzemeler arasındaki erişilebilir alanı hassas bir şekilde kontrol etmek zordur ve bu nedenle, alt tabakanın katalitik olarak aktif bölgelere erişememesi nedeniyle elektrot performansı artan film kalınlığıyla azalır. Ayrıca, yöntemin karmaşıklığı ve yüksek maliyeti pratik uygulamasını büyük ölçüde engeller. Bu nedenle, maliyet açısından etkili üretim tekniklerinin geliştirilmesiüç boyutlu (3D) elektrotlarBaşarılı elektrokimyasal uygulamalar için gereklidir.

Gözenekli yapılara ve yüksek özgül yüzey alanlarına sahip yeni üç boyutlu metalik malzemelerin geliştirilmesi, iyon difüzyon uzunluğunu azaltma ve iyonik ve elektronik iletkenliği artırma potansiyelleri nedeniyle önemli ilgi görmüştür. Bu nedenle, elektrokatalizör tasarımı için umut vadeden bir yön, yüksek iletkenlik, geniş yüzey alanı ve yüksek kararlılık sağlayan katalizör taşıyıcılarının nanoyapılı bir kompozitini oluşturmak için farklı yapısal boyutları birleştirmektir.Nikel köpük(NF), ticari olarak temin edilebilen ve ucuz bir malzeme olup, arzu edilen üç boyutlu açık gözenek yapısı, yüksek elektrik iletkenliği ve büyük özgül yüzey alanı nedeniyle elektrot malzemeleri için bir substrat ve taşıyıcı olarak yaygın olarak kullanılmıştır. NF'ler içindeki mikro gözenekler ve tırtıklı akış kanalları da iyi kütle transferi ve birim alan başına büyük yüzey alanı sağlar. Farklı metal köpükler, ağlar, folyolar ve kumaşlar dahil olmak üzere çeşitli substratlar, lityum iyon piller, süper kapasitörler, güneş pilleri ve su ayırma gibi elektrokimyasal uygulamalar için toplayıcı olarak araştırılmıştır. Özellikle gözenekli NF'ler, düşük maliyetleri, elektriksel iletkenlikleri ve katalizörleri yüklemek ve elektrokimyasal aktif bölgeleri artırmak için ideal olan büyük elektroaktif yüzey alanları nedeniyle dikkat çekmiştir. Ek olarak, gözenekli NF'ler elektrolitlerin kütle taşınımını artırmada avantajlara sahiptir ve bu da onları enerji uygulamalarında yüksek yüzey alanlı akım toplayıcıları için uygun adaylar haline getirir. Nikel köpük üzerinde aktif malzemelerin doğrudan büyümesi, su çatlama reaksiyonlarında verimli elektron transferi için katalizör-substrat temasını da artırır. Süperkapasitör ve pil elektrotları NF'ler için ana uygulamalar olmaya devam ederken, son çalışmalar bu malzeme üzerine biriktirilen elektrot malzemelerinin Ni folyolar ve ağlardan daha üstün OER aktivitesine sahip olduğunu göstermiştir. Bu malzemeler doğal halleriyle uygulanabilir veya aktif malzemelerle süslenebilir ve köpükler hem toplayıcı hem de destek alt tabakaları olarak kullanılabilir. Bu nedenle, NF alt tabakaları üzerinde nanoyapılı, toprak açısından zengin bir katalitik malzemenin büyümesi, enerji depolama/dönüştürme cihazları için gelişmiş elektrot malzemelerinin geliştirilmesi için umut vaat etmektedir. Doğrudan nikel köpüğü üzerinde büyütülen toprak açısından zengin elektro katalizörler yaygın olarak mevcut olsa da, düşük maliyetli ve üretimi kolay gözenekli hiyerarşik yapılar olmalarına rağmen, OER'ler ve HER'ler için nikel köpüğü üzerinde üç boyutlu elektrotlar kapsamlı bir şekilde araştırılmamıştır.