L-użu ta' materjali nanostrutturati fuq materjali tal-fowm tan-nikil tridimensjonali bħala elettrokatalizzaturi għall-qsim tal-ilma

It-tnaqqis tal-fjuwils fossili u t-tħassib dejjem jikber dwar l-enerġija u kwistjonijiet ambjentali wasslu għal sforzi estensivi ta 'riċerka biex jiġu żviluppati sorsi ta' enerġija alternattivi.Elettroliżi elettrokimikatal-ilma hija meqjusa bħala strateġija promettenti għall-produzzjoni tal-fjuwil tal-idroġenu. Madankollu, qsim effiċjenti tal-ilma jeħtieġ elettrokatalizzaturi effiċjenti u durabbli li jistgħu jaċċelleraw il-kinetika tar-reazzjoni tal-estrazzjoni tal-ossiġnu (OER) u tar-reazzjoni tal-estrazzjoni tal-idroġenu (HER). Katalizzaturi li fihom metall nobbli, bħal Pt u l-ligi tiegħu, RuO2 u IrO2, bħalissa huma l-aktar katalizzaturi effiċjenti biex jikkatalizzaw OER u HER. Madankollu, l-ispiża għolja u l-iskarsezza ta 'metalli nobbli fixklu l-applikazzjoni fuq skala kbira tagħhom u l-iżvilupp ta' teknoloġiji ta 'enerġija rinnovabbli. Biex jingħelbu dawn il-limitazzjonijiet, saru sforzi konsiderevoli biex jiġu ddisinjati u sintetizzati elettrokatalizzaturi tal-metall mhux prezzjuż li jużaw materjali abbundanti tad-dinja bħala alternattivi ekonomiċi għal OER u OERHER. Ossidi tal-metall ta 'tranżizzjoni, sulfidi, fosfidi, materjali tal-karbonju, selenidi, u kumplessi ta' metall imħallat ġew studjati b'mod estensiv u wrew prestazzjoni promettenti għal OER u HER. Madankollu, il-biċċa l-kbira ta 'dawn l-elettrokatalizzaturi jeħtieġu potenzjal eċċessiv ogħla minn katalizzaturi bbażati fuq metall nobbli, u t-titjib tal-istabbiltà tagħhom jibqa' kruċjali. Għalhekk, hemm bżonn urġenti li tiġi żviluppata struttura ta 'elettrodu alternattiva bi prezz baxx u effiċjenti b'attività għolja u stabbiltà fit-tul għal qsim effiċjenti tal-ilma.

Fil-qasam tal-applikazzjonijiet elettrokimiċi, żewġ strateġiji ewlenin intużaw biex jippreparaw elettrodi. L-ewwel u l-aktar teknika użata tinvolvi l-użu ta 'katalizzaturi f'forma ta' trab. Tipikament, elettrodi huma mibnija bl-użu ta 'slurries ta' materjali elettroattivi, li jsaħħu l-konduttività, u adeżivi fuq sottostrati konduttivi. Madankollu, dan l-approċċ mhuwiex mingħajr żvantaġġi. L-iżvantaġġ ewlieni huwa r-rekwiżit għal binder elettrikament iżolanti, li jnaqqas iż-żona ta 'kuntatt bejn l-elettrolit u l-katalizzatur. Dan jista 'jwassal għall-imblukkar tas-siti katalitikament attivi, li jirriżulta f'reżistenza għolja u prestazzjoni elettrokatalitika mnaqqsa. Barra minn hekk, l-elettrodi huma relattivament instabbli, peress li l-katalizzatur imwaħħal għandu tendenza li jitqaxxar mis-sottostrat li jwassal f'densitajiet ta 'kurrent għolja. It-tieni strateġija ewlenija għall-preparazzjoni tal-elettrodu hija l-użu ta 'materjali bbażati fuq metall nobbli li huma elettrodepożitati direttament fuq is-sottostrat konduttiv, bħal fowm tan-nikil, fojl tar-ram, drapp tal-karbonju jew karta, FTO, azzar li ma jissaddadx u fojl tan-nikil. Madankollu, dan l-approċċ mhux mingħajr il-limitazzjonijiet tiegħu. Huwa diffiċli li tikkontrolla b'mod preċiż l-ispazju aċċessibbli bejn il-materjali attivi depożitati u, għalhekk, il-prestazzjoni tal-elettrodu tonqos biż-żieda tal-ħxuna tal-film minħabba l-inaċċessibbiltà tas-sottostrat għas-siti attivi katalitikament ġewwa. Barra minn hekk, il-kumplessità u l-ispiża għolja tal-metodu jfixklu ħafna l-applikazzjoni prattika tiegħu. Għalhekk, l-iżvilupp ta 'tekniki ta' fabbrikazzjoni kost-effettivi għalelettrodi tridimensjonali (3D).huwa meħtieġ għal applikazzjonijiet elettrokimiċi ta 'suċċess.

L-iżvilupp ta 'materjali metalliċi tridimensjonali ġodda bi strutturi porużi u żoni tal-wiċċ speċifiċi għoljin ġibed attenzjoni konsiderevoli minħabba l-potenzjal tagħhom li jnaqqsu t-tul tad-diffużjoni tal-joni u jżidu l-konduttività jonika u elettronika. Għalhekk, direzzjoni promettenti għad-disinn tal-electrocatalyst hija li tgħaqqad dimensjonijiet strutturali differenti sabiex jinħoloq kompost nanostrutturat ta 'trasportaturi tal-katalist li jipprovdu konduttività għolja, erja tal-wiċċ kbira u stabbiltà għolja.Fowm tan-nikil(NF), materjal disponibbli kummerċjalment u rħas, intuża ħafna bħala sottostrat u trasportatur għal materjali ta 'elettrodu minħabba l-istruttura mixtieqa tridimensjonali ta' pori miftuħa tagħha, konduttività elettrika għolja, u żona tal-wiċċ speċifika kbira. Il-mikropori u l-fluss jagged. kanali fi ħdan l-NFs jipprovdu wkoll trasferiment tajjeb tal-massa u erja kbira tal-wiċċ għal kull unità ta 'żona. Diversi sottostrati, inklużi fowms differenti tal-metall, malji, fuljetti u drappijiet, ġew esplorati bħala kolletturi għal applikazzjonijiet elettrokimiċi bħal batteriji tal-jone tal-litju, supercapacitors, ċelloli solari u qsim tal-ilma. B'mod partikolari, NFs porużi ġibdu l-attenzjoni minħabba l-ispiża baxxa tagħhom, il-konduttività elettrika, u l-erja tal-wiċċ elettroattiva kbira, li hija ideali għat-tagħbija ta 'katalizzaturi u żżid is-siti attivi elettrokimiċi. Barra minn hekk, NFs porużi għandhom vantaġġi fit-titjib tat-trasport tal-massa ta 'elettroliti, li jagħmluhom kandidati adattati għal kolletturi tal-kurrent ta' erja għolja tal-wiċċ fl-applikazzjonijiet tal-enerġija. It-tkabbir dirett ta 'materjali attivi fuq fowm tan-nikil itejjeb ukoll il-kuntatt katalizzatur-sottostrat għal trasferiment effiċjenti tal-elettroni fir-reazzjonijiet tal-qsim tal-ilma. Filwaqt li l-elettrodi tas-supercapacitor u tal-batterija jibqgħu l-applikazzjonijiet ewlenin għall-NFs, studji reċenti wrew li materjali tal-elettrodi depożitati fuq dan il-materjal għandhom attività OER superjuri minn fuljetti u xbieki Ni. Dawn il-materjali jistgħu jiġu applikati jew fil-forma naturali tagħhom jew imżejna b'materjali attivi, u r-ragħwa jistgħu jintużaw kemm bħala kolletturi kif ukoll bħala substrati ta 'appoġġ. Għalhekk, it-tkabbir ta 'materjal katalitiku nanostrutturat u rikk fid-dinja fuq sottostrati NF huwa wegħda għall-iżvilupp ta' materjali ta 'elettrodi avvanzati għal tagħmir ta' ħażna/konverżjoni tal-enerġija. Għalkemm electrocatalysts rikki fid-dinja mkabbra direttament fuq fowm tan-nikil huma komunement disponibbli, elettrodi tridimensjonali fuq fowm tan-nikil għal OERs u HERs ma ġewx investigati b'mod estensiv, għalkemm huma strutturi ġerarkiċi porużi li huma bi prezz baxx u faċli biex jiġu ffabbrikati.