Suyun krekinqi üçün elektrokatalizator kimi üçölçülü nikel köpük materiallarında nanostrukturlu materialların istifadəsi

Qalıq yanacaqların tükənməsi və enerji və ətraf mühit problemləri ilə bağlı artan narahatlıqlar alternativ enerji mənbələrinin inkişafı üçün geniş tədqiqat səylərinə səbəb oldu.Elektrokimyəvi elektrolizsu hidrogen yanacağı istehsalı üçün perspektivli strategiya hesab olunur. Bununla belə, suyun səmərəli krekinqi üçün oksigen çıxarma reaksiyasının (OER) və hidrogen ekstraksiya reaksiyasının (HER) kinetikasını sürətləndirə bilən səmərəli və davamlı elektrokatalizatorlar tələb olunur. Pt və onun ərintiləri RuO2 və IrO2 kimi nəcib metal tərkibli katalizatorlar hazırda OER və HER katalizatorları üçün ən səmərəli katalizatorlardır. Bununla belə, nəcib metalların yüksək qiyməti və qıtlığı onların geniş miqyasda tətbiqinə və bərpa olunan enerji texnologiyalarının inkişafına mane oldu. Bu məhdudiyyətləri aradan qaldırmaq üçün OER və OERHER-ə iqtisadi alternativlər kimi yer üzündə bol materiallardan istifadə edərək qiymətli olmayan metal elektrokatalizatorların layihələndirilməsi və sintezi üçün xeyli səy göstərilmişdir. Keçid metal oksidləri, sulfidlər, fosfidlər, karbon materialları, selenidlər və qarışıq metal kompleksləri geniş şəkildə tədqiq edilmiş və OER və HER üçün perspektivli performans göstərmişdir. Bununla belə, bu elektrokatalizatorların əksəriyyəti nəcib metal əsaslı katalizatorlara nisbətən daha yüksək potensial tələb edir və onların dayanıqlığının yaxşılaşdırılması həlledici olaraq qalır. Buna görə də, suyun səmərəli parçalanması üçün yüksək aktivliyə və uzunmüddətli sabitliyə malik ucuz və səmərəli alternativ elektrod strukturunun hazırlanmasına təcili ehtiyac var.

Elektrokimyəvi tətbiqlər sahəsində, elektrodları hazırlamaq üçün iki əsas strategiya istifadə edilmişdir. Birinci və ən çox istifadə edilən texnika katalizatorların toz halında istifadəsini nəzərdə tutur. Tipik olaraq, elektrodlar elektroaktiv materialların şlamlarından, keçiricilik gücləndiricilərindən və keçirici substratlarda yapışdırıcılardan istifadə etməklə tikilir. Bununla belə, bu yanaşmanın çatışmazlıqları yoxdur. Əsas çatışmazlıq elektrolit və katalizator arasındakı əlaqə sahəsini azaldan elektrik izolyasiya edən bağlayıcıya olan tələbdir. Bu, katalitik aktiv sahələrin bloklanmasına gətirib çıxara bilər ki, bu da yüksək müqavimətə və elektrokatalitik performansın azalmasına səbəb ola bilər. Bundan əlavə, elektrodlar nisbətən qeyri-sabitdir, çünki əlavə edilmiş katalizator yüksək cərəyan sıxlığında keçirici substratdan soyulmağa meyllidir. Elektrod hazırlamaq üçün ikinci əsas strategiya, nikel köpük, mis folqa, karbon parça və ya kağız, FTO, paslanmayan polad və nikel folqa kimi keçirici substratın üzərinə birbaşa elektrodepozit edilmiş nəcib metal əsaslı materialların istifadəsidir. Bununla belə, bu yanaşma məhdudiyyətsiz deyil. Yatırılan aktiv materiallar arasında əlçatan boşluğa dəqiq nəzarət etmək çətindir və buna görə də, substratın katalitik aktiv sahələrə daxil olmaması səbəbindən elektrod performansı artan film qalınlığı ilə azalır. Bundan əlavə, metodun mürəkkəbliyi və yüksək qiyməti onun praktik tətbiqinə çox mane olur. Buna görə də, sərfəli istehsal texnologiyalarının inkişafıüçölçülü (3D) elektrodlaruğurlu elektrokimyəvi tətbiqlər üçün lazımdır.

Məsaməli strukturlara və yüksək spesifik səth sahələrinə malik yeni üçölçülü metal materialların inkişafı onların ion diffuziya uzunluğunu azaltmaq və ion və elektron keçiriciliyi artırmaq potensialına görə böyük diqqəti cəlb etmişdir. Buna görə də elektrokatalizatorun dizaynı üçün perspektivli istiqamət yüksək keçiriciliyi, böyük səth sahəsini və yüksək sabitliyi təmin edən katalizator daşıyıcılarının nanostrukturlu kompozitini yaratmaq üçün müxtəlif struktur ölçüləri birləşdirməkdir.Nikel köpükKommersiya baxımından əldə edilə bilən və ucuz material olan (NF), arzu olunan üçölçülü açıq məsamə strukturu, yüksək elektrik keçiriciliyi və böyük xüsusi səth sahəsinə görə elektrod materialları üçün substrat və daşıyıcı kimi geniş istifadə edilmişdir. Mikroməsamələr və əyri axın NF-lər daxilində kanallar da yaxşı kütlə ötürülməsini və vahid sahəyə görə böyük səth sahəsini təmin edir. Müxtəlif metal köpüklər, meshlər, folqalar və parçalar da daxil olmaqla müxtəlif substratlar litium-ion batareyaları, superkapasitorlar, günəş elementləri və suyun parçalanması kimi elektrokimyəvi tətbiqlər üçün kollektorlar kimi tədqiq edilmişdir. Xüsusilə, məsaməli NF-lər aşağı qiymətə, elektrik keçiriciliyinə və katalizatorların yüklənməsi və elektrokimyəvi aktiv sahələrin artırılması üçün ideal olan böyük elektroaktiv səth sahəsinə görə diqqəti cəlb etmişdir. Bundan əlavə, məsaməli NF-lər elektrolitlərin kütləvi nəqlini artırmaqda üstünlüklərə malikdir və onları enerji tətbiqlərində yüksək səth sahəsi cərəyan kollektorları üçün uyğun namizədlər edir. Nikel köpüyü üzərində aktiv materialların birbaşa böyüməsi, həmçinin suyun krekinq reaksiyalarında elektronların səmərəli ötürülməsi üçün katalizator-substrat əlaqəsini gücləndirir. Superkondensator və akkumulyator elektrodları NF-lər üçün əsas tətbiqlər olaraq qalmasına baxmayaraq, son tədqiqatlar göstərdi ki, bu materiala yığılmış elektrod materialları Ni folqa və şəbəkələrdən daha üstün OER aktivliyinə malikdir. Bu materiallar həm təbii formada tətbiq oluna bilər, həm də aktiv materiallarla bəzədilə bilər və köpüklər həm kollektor, həm də dəstəkləyici substrat kimi istifadə edilə bilər. Beləliklə, NF substratlarında nanostrukturlu, yerlə zəngin katalitik materialın böyüməsi enerji saxlama/çevirmə cihazları üçün qabaqcıl elektrod materiallarının inkişafı üçün vəd verir. Birbaşa nikel köpüyündə yetişdirilən torpaqla zəngin elektrokatalizatorlar çox vaxt mövcud olsa da, OER və HER-lər üçün nikel köpüyü üzərində üç ölçülü elektrodlar geniş şəkildə araşdırılmamışdır, baxmayaraq ki, onlar aşağı qiymətli və istehsalı asan məsaməli iyerarxik strukturlardır.