Ús de materials nanoestructurats en materials d'escuma de níquel tridimensionals com a electrocatalitzadors per al craqueig d'aigua

L'esgotament dels combustibles fòssils i la creixent preocupació sobre els problemes energètics i ambientals han donat lloc a amplis esforços de recerca per desenvolupar fonts d'energia alternatives.Electròlisi electroquímicad'aigua es considera una estratègia prometedora per a la producció de combustible d'hidrogen. Tanmateix, el craqueig eficient de l'aigua requereix electrocatalitzadors eficients i duradors que puguin accelerar la cinètica de la reacció d'extracció d'oxigen (OER) i la reacció d'extracció d'hidrogen (HER). Els catalitzadors que contenen metalls nobles, com el Pt i els seus aliatges, RuO2 i IrO2, són actualment els catalitzadors més eficients per catalitzar OER i HER. Tanmateix, l'alt cost i l'escassetat de metalls nobles han dificultat la seva aplicació a gran escala i el desenvolupament de tecnologies d'energies renovables. Per superar aquestes limitacions, s'han fet esforços considerables per dissenyar i sintetitzar electrocatalitzadors de metalls no preciosos utilitzant materials abundants en terra com a alternatives econòmiques a OER i OERHER. Els òxids de metalls de transició, sulfurs, fòsfurs, materials de carboni, selenurs i complexos de metalls mixts s'han estudiat àmpliament i han mostrat un rendiment prometedor per a OER i HER. Tanmateix, la majoria d'aquests electrocatalitzadors requereixen sobrepotencials més alts que els catalitzadors basats en metalls nobles, i la millora de la seva estabilitat segueix sent crucial. Per tant, hi ha una necessitat urgent de desenvolupar una estructura d'elèctrodes alternativa de baix cost i eficient amb alta activitat i estabilitat a llarg termini per a una divisió eficient de l'aigua.

En el camp de les aplicacions electroquímiques, s'han utilitzat dues estratègies principals per preparar elèctrodes. La primera tècnica i la més utilitzada consisteix en l'ús de catalitzadors en forma de pols. Normalment, els elèctrodes es construeixen utilitzant purins de materials electroactius, potenciadors de conductivitat i adhesius sobre substrats conductors. Tanmateix, aquest enfocament no està exempt d'inconvenients. El principal desavantatge és el requisit d'un aglutinant elèctricament aïllant, que redueix l'àrea de contacte entre l'electròlit i el catalitzador. Això pot provocar el bloqueig dels llocs catalíticament actius, donant lloc a una alta resistència i un rendiment electrocatalític reduït. A més, els elèctrodes són relativament inestables, ja que el catalitzador connectat tendeix a desenganxar-se del substrat conductor a altes densitats de corrent. La segona estratègia principal per a la preparació d'elèctrodes és l'ús de materials a base de metalls nobles que es dipositen directament sobre el substrat conductor, com ara escuma de níquel, làmina de coure, tela o paper de carboni, FTO, acer inoxidable i làmina de níquel. Tanmateix, aquest enfocament no està exempt de limitacions. És difícil controlar amb precisió l'espai accessible entre els materials actius dipositats i, per tant, el rendiment de l'elèctrode disminueix amb l'augment del gruix de la pel·lícula a causa de la inaccessibilitat del substrat als llocs catalíticament actius a l'interior. A més, la complexitat i el cost elevat del mètode dificulten molt la seva aplicació pràctica. Per tant, el desenvolupament de tècniques de fabricació rendibles perelèctrodes tridimensionals (3D).és necessari per a aplicacions electroquímiques reeixides.

El desenvolupament de nous materials metàl·lics tridimensionals amb estructures poroses i grans superfícies específiques ha cridat una atenció considerable pel seu potencial per reduir la longitud de difusió iònica i augmentar la conductivitat iònica i electrònica. Per tant, una direcció prometedora per al disseny d'electrocatalitzadors és combinar diferents dimensions estructurals per crear un compost nanoestructurat de portadors de catalitzadors que proporcionin alta conductivitat, gran superfície i alta estabilitat.Escuma de níquel(NF), un material econòmic i disponible comercialment, s'ha utilitzat àmpliament com a substrat i suport per a materials d'elèctrode a causa de la seva desitjable estructura tridimensional de porus oberts, alta conductivitat elèctrica i gran superfície específica. Els microporus i el flux irregular. els canals dins dels NF també proporcionen una bona transferència de massa i una gran superfície per unitat d'àrea. S'han explorat diversos substrats, incloent diferents escumes metàl·liques, malles, làmines i teixits, com a col·lectors per a aplicacions electroquímiques com bateries d'ions de liti, supercondensadors, cèl·lules solars i separació d'aigua. En particular, els NF porosos han cridat l'atenció pel seu baix cost, conductivitat elèctrica i gran superfície electroactiva, ideal per carregar catalitzadors i augmentar els llocs actius electroquímics. A més, els NF porosos tenen avantatges per millorar el transport massiu d'electròlits, cosa que els converteix en candidats adequats per a col·lectors de corrent d'alta superfície en aplicacions energètiques. El creixement directe de materials actius a l'escuma de níquel també millora el contacte catalitzador-substrat per a una transferència eficient d'electrons en les reaccions de craqueig d'aigua. Tot i que els elèctrodes de supercondensador i bateries segueixen sent les principals aplicacions dels NF, estudis recents han demostrat que els materials d'elèctrodes dipositats en aquest material tenen una activitat OER superior a les làmines i xarxes de Ni. Aquests materials es poden aplicar en la seva forma natural o bé decorats amb materials actius, i les escumes es poden utilitzar tant com a col·lectors com a substrats de suport. Així, el creixement d'un material catalític nanoestructurat i ric en terra sobre substrats NF és prometedor per al desenvolupament de materials d'elèctrode avançats per a dispositius d'emmagatzematge/conversió d'energia. Tot i que els electrocatalitzadors rics en terra cultivats directament sobre escuma de níquel estan disponibles habitualment, els elèctrodes tridimensionals sobre escuma de níquel per a OER i HER no s'han investigat àmpliament, tot i que són estructures jeràrquiques poroses de baix cost i fàcils de fabricar.