استفاده از مواد نانوساختار بر روی مواد فوم نیکل سه‌بعدی به عنوان الکتروکاتالیست برای ترک‌خوردگی آب

کاهش منابع سوخت‌های فسیلی و نگرانی‌های فزاینده در مورد مسائل مربوط به انرژی و محیط زیست، منجر به تلاش‌های تحقیقاتی گسترده‌ای برای توسعه منابع انرژی جایگزین شده است.الکترولیز الکتروشیمیاییاستفاده از آب به عنوان یک استراتژی امیدوارکننده برای تولید سوخت هیدروژنی در نظر گرفته می‌شود. با این حال، کراکینگ کارآمد با آب نیاز به الکتروکاتالیست‌های کارآمد و بادوام دارد که بتوانند سینتیک واکنش استخراج اکسیژن (OER) و واکنش استخراج هیدروژن (HER) را تسریع کنند. نوبلفلزکاتالیزورهای حاوی پلاتین، مانند پلاتین و آلیاژهای آن، RuO2 و IrO2، در حال حاضر کارآمدترین کاتالیزورها برای کاتالیز OER و HER هستند. با این حال، هزینه بالا و کمبود فلزات نجیب مانع از کاربرد گسترده آنها و توسعه فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر شده است. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، تلاش‌های قابل توجهی برای طراحی و سنتز الکتروکاتالیست‌های فلزات غیر قیمتی با استفاده از مواد فراوان در زمین به عنوان جایگزین‌های اقتصادی برای OER و OERHER انجام شده است. اکسیدهای فلزات واسطه، سولفیدها، فسفیدها، مواد کربنی، سلنیدها و کمپلکس‌های مخلوط فلزات به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و عملکرد امیدوارکننده‌ای را برای OER و HER نشان داده‌اند. با این حال، اکثر این الکتروکاتالیست‌ها به پتانسیل‌های اضافی بالاتری نسبت به کاتالیزورهای مبتنی بر فلزات نجیب نیاز دارند و بهبود پایداری آنها همچنان حیاتی است. بنابراین، نیاز مبرمی به توسعه یک ساختار الکترود جایگزین کم‌هزینه و کارآمد با فعالیت بالا و پایداری طولانی‌مدت برای تجزیه کارآمد آب وجود دارد.

در زمینه کاربردهای الکتروشیمیاییدو استراتژی اصلی برای تهیه الکترودها استفاده شده است. اولین و پرکاربردترین تکنیک شامل استفاده از کاتالیزورها به شکل پودری است. معمولاً الکترودها با استفاده از دوغاب مواد الکترواکتیو، تقویت‌کننده‌های رسانایی و چسب‌ها روی زیرلایه‌های رسانا ساخته می‌شوند. با این حال، این رویکرد بدون اشکال نیست. عیب اصلی، نیاز به یک چسب عایق الکتریکی است که سطح تماس بین الکترولیت و کاتالیزور را کاهش می‌دهد. این امر ممکن است منجر به مسدود شدن مکان‌های فعال کاتالیزوری شود که منجر به مقاومت بالا و کاهش عملکرد الکتروکاتالیستی می‌شود. علاوه بر این، الکترودها نسبتاً ناپایدار هستند، زیرا کاتالیزور متصل شده در چگالی جریان بالا تمایل به جدا شدن از زیرلایه رسانا دارد. دومین استراتژی اصلی برای تهیه الکترود، استفاده از مواد مبتنی بر فلزات نجیب است که مستقیماً روی زیرلایه رسانا رسوب الکتریکی می‌شوند، مانند نیکل.فوم، فویل مسی، پارچه یا کاغذ کربنی، FTO، فولاد ضد زنگ و فویل نیکل. با این حال، این رویکرد بدون محدودیت نیست. کنترل دقیق فضای قابل دسترس بین مواد فعال رسوب داده شده دشوار است و بنابراین، عملکرد الکترود با افزایش ضخامت فیلم به دلیل عدم دسترسی زیرلایه به مکان‌های فعال کاتالیزوری داخل، کاهش می‌یابد. علاوه بر این، پیچیدگی و هزینه بالای این روش تا حد زیادی مانع کاربرد عملی آن می‌شود. بنابراین، توسعه تکنیک‌های ساخت مقرون به صرفه برایالکترودهای سه‌بعدی (3D)برای کاربردهای الکتروشیمیایی موفق ضروری است.

توسعه مواد فلزی سه‌بعدی جدید با ساختارهای متخلخل و مساحت سطح ویژه بالا، به دلیل پتانسیل آنها در کاهش طول انتشار یون و افزایش رسانایی یونی و الکترونیکی، توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است. بنابراین، یک جهت‌گیری امیدوارکننده برای طراحی الکتروکاتالیست، ترکیب ابعاد ساختاری مختلف به منظور ایجاد یک کامپوزیت نانوساختار از حامل‌های کاتالیزور است که رسانایی بالا، مساحت سطح بزرگ و پایداری بالا را فراهم می‌کند.فوم نیکل(NF)، یک ماده تجاری در دسترس و ارزان، به دلیل ساختار منافذ باز سه‌بعدی مطلوب، رسانایی الکتریکی بالا و سطح ویژه بزرگ، به طور گسترده به عنوان بستر و حامل مواد الکترودی مورد استفاده قرار گرفته است. میکروحفره‌ها و کانال‌های جریان ناهموار درون NFها نیز انتقال جرم خوب و سطح بزرگ در واحد سطح را فراهم می‌کنند. بسترهای مختلفی، از جمله فوم‌های فلزی مختلف، توری‌ها، فویل‌ها و پارچه‌ها، به عنوان جمع‌کننده برای کاربردهای الکتروشیمیایی مانند باتری‌های لیتیوم-یون، ابرخازن‌ها، سلول‌های خورشیدی و تجزیه آب مورد بررسی قرار گرفته‌اند. به طور خاص، NFهای متخلخل به دلیل هزینه کم، رسانایی الکتریکی و سطح فعال الکتروشیمیایی بزرگ خود که برای بارگذاری کاتالیزورها و افزایش مکان‌های فعال الکتروشیمیایی ایده‌آل است، توجه را به خود جلب کرده‌اند. علاوه بر این، NFهای متخلخل مزایایی در افزایش انتقال جرم الکترولیت‌ها دارند و آنها را به کاندیداهای مناسبی برای جمع‌کننده‌های جریان با سطح بالا در کاربردهای انرژی تبدیل می‌کنند. رشد مستقیم مواد فعال روی فوم نیکل همچنین تماس کاتالیزور-بستر را برای انتقال الکترون کارآمد در واکنش‌های کراکینگ آب افزایش می‌دهد. در حالی که الکترودهای ابرخازن و باتری همچنان کاربردهای اصلی نانولوله‌های کربنی هستند، مطالعات اخیر نشان داده‌اند که مواد الکترودی رسوب‌شده روی این ماده، فعالیت OER بهتری نسبت به فویل‌ها و توری‌های نیکل دارند. این مواد را می‌توان به شکل طبیعی خود یا با مواد فعال تزئین کرد و فوم‌ها را می‌توان هم به عنوان جمع‌کننده و هم به عنوان زیرلایه‌های نگهدارنده استفاده کرد. بنابراین، رشد یک ماده کاتالیزوری نانوساختار غنی از خاک روی زیرلایه‌های نانولوله کربنی، نویدبخش توسعه مواد الکترودی پیشرفته برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی/تبدیل انرژی است. اگرچه الکتروکاتالیست‌های غنی از خاک که مستقیماً روی فوم نیکل رشد می‌کنند، معمولاً در دسترس هستند، الکترودهای سه‌بعدی روی فوم نیکل برای OERها و HERها به طور گسترده مورد بررسی قرار نگرفته‌اند، اگرچه ساختارهای سلسله مراتبی متخلخلی هستند که کم‌هزینه و ساخت آنها آسان است.