Sử dụng vật liệu có cấu trúc nano trên vật liệu bọt niken ba chiều làm chất xúc tác điện cho quá trình cracking nước

Sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và mối lo ngại ngày càng tăng về các vấn đề năng lượng và môi trường đã dẫn đến những nỗ lực nghiên cứu sâu rộng nhằm phát triển các nguồn năng lượng thay thế.Điện phân điện hóacủa nước được coi là một chiến lược đầy hứa hẹn cho sản xuất nhiên liệu hydro. Tuy nhiên, quá trình cracking nước hiệu quả đòi hỏi các chất xúc tác điện hiệu quả và bền bỉ có thể đẩy nhanh động học của phản ứng chiết xuất oxy (OER) và phản ứng chiết xuất hydro (HER). NobleKim loại-các chất xúc tác chứa Pt, như Pt và hợp kim của nó, RuO2 và IrO2, hiện là chất xúc tác hiệu quả nhất để xúc tác OER và HER. Tuy nhiên, chi phí cao và sự khan hiếm của các kim loại quý đã cản trở ứng dụng quy mô lớn của chúng và sự phát triển của các công nghệ năng lượng tái tạo. Để khắc phục những hạn chế này, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để thiết kế và tổng hợp các chất xúc tác điện kim loại không quý bằng cách sử dụng các vật liệu có nhiều trong đất như các giải pháp thay thế kinh tế cho OER và OERHER. Các oxit kim loại chuyển tiếp, sulfua, photphua, vật liệu cacbon, selenua và các hợp chất kim loại hỗn hợp đã được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy hiệu suất đầy hứa hẹn đối với OER và HER. Tuy nhiên, hầu hết các chất xúc tác điện này đòi hỏi điện thế cao hơn so với các chất xúc tác gốc kim loại quý và việc cải thiện độ ổn định của chúng vẫn rất quan trọng. Do đó, cần phải phát triển một cấu trúc điện cực thay thế hiệu quả và chi phí thấp với hoạt tính cao và độ ổn định lâu dài để phân tách nước hiệu quả.

Trong lĩnh vực ứng dụng điện hóa, hai chiến lược chính đã được sử dụng để chuẩn bị điện cực. Kỹ thuật đầu tiên và được sử dụng rộng rãi nhất liên quan đến việc sử dụng chất xúc tác ở dạng bột. Thông thường, điện cực được chế tạo bằng cách sử dụng hỗn hợp vật liệu hoạt động điện, chất tăng cường độ dẫn điện và chất kết dính trên các chất nền dẫn điện. Tuy nhiên, cách tiếp cận này không phải là không có nhược điểm. Nhược điểm chính là yêu cầu về chất kết dính cách điện, làm giảm diện tích tiếp xúc giữa chất điện phân và chất xúc tác. Điều này có thể dẫn đến chặn các vị trí hoạt động xúc tác, dẫn đến điện trở cao và giảm hiệu suất điện xúc tác. Ngoài ra, các điện cực tương đối không ổn định, vì chất xúc tác được gắn có xu hướng bong ra khỏi chất nền dẫn điện ở mật độ dòng điện cao. Chiến lược chính thứ hai để chuẩn bị điện cực là sử dụng vật liệu gốc kim loại quý được điện phân trực tiếp lên chất nền dẫn điện, chẳng hạn như nikenBọt, lá đồng, vải hoặc giấy than, FTO, thép không gỉ và lá niken. Tuy nhiên, phương pháp này không phải là không có hạn chế. Khó có thể kiểm soát chính xác khoảng không tiếp cận được giữa các vật liệu hoạt động được lắng đọng và do đó, hiệu suất điện cực giảm dần khi độ dày màng tăng do chất nền không tiếp cận được với các vị trí hoạt động xúc tác bên trong. Ngoài ra, tính phức tạp và chi phí cao của phương pháp này cản trở rất nhiều đến ứng dụng thực tế của nó. Do đó, việc phát triển các kỹ thuật chế tạo tiết kiệm chi phí chođiện cực ba chiều (3D)là cần thiết cho các ứng dụng điện hóa thành công.

Sự phát triển của vật liệu kim loại ba chiều mới có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt riêng cao đã thu hút được sự chú ý đáng kể do tiềm năng làm giảm độ dài khuếch tán ion và tăng độ dẫn điện tử và ion. Do đó, một hướng đầy hứa hẹn cho thiết kế chất xúc tác điện là kết hợp các kích thước cấu trúc khác nhau để tạo ra một hợp chất có cấu trúc nano của các chất mang xúc tác cung cấp độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn và độ ổn định cao.Bọt niken(NF), một vật liệu có sẵn trên thị trường và giá rẻ, đã được sử dụng rộng rãi làm chất nền và chất mang cho vật liệu điện cực do cấu trúc lỗ hở ba chiều mong muốn, độ dẫn điện cao và diện tích bề mặt riêng lớn. Các lỗ siêu nhỏ và kênh dòng chảy gồ ghề bên trong NF cũng cung cấp khả năng truyền khối tốt và diện tích bề mặt lớn trên một đơn vị diện tích. Nhiều chất nền khác nhau, bao gồm các loại bọt kim loại, lưới, lá và vải khác nhau, đã được khám phá làm chất thu gom cho các ứng dụng điện hóa như pin lithium-ion, siêu tụ điện, pin mặt trời và tách nước. Đặc biệt, NF xốp đã thu hút sự chú ý do chi phí thấp, độ dẫn điện và diện tích bề mặt hoạt động điện lớn, lý tưởng để tải chất xúc tác và tăng các vị trí hoạt động điện hóa. Ngoài ra, NF xốp có ưu điểm là tăng cường vận chuyển khối lượng chất điện phân, khiến chúng trở thành ứng cử viên phù hợp cho các chất thu dòng điện có diện tích bề mặt lớn trong các ứng dụng năng lượng. Sự phát triển trực tiếp của vật liệu hoạt động trên bọt niken cũng tăng cường tiếp xúc chất xúc tác-chất nền để truyền electron hiệu quả trong các phản ứng cracking nước. Trong khi siêu tụ điện và điện cực pin vẫn là những ứng dụng chính của NF, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng vật liệu điện cực lắng đọng trên vật liệu này có hoạt tính OER vượt trội hơn so với lá và lưới Ni. Những vật liệu này có thể được ứng dụng ở dạng tự nhiên hoặc được trang trí bằng vật liệu hoạt tính, và bọt có thể được sử dụng làm chất thu thập và chất nền hỗ trợ. Do đó, sự phát triển của vật liệu xúc tác giàu đất có cấu trúc nano trên chất nền NF hứa hẹn cho sự phát triển của vật liệu điện cực tiên tiến cho các thiết bị lưu trữ/chuyển đổi năng lượng. Mặc dù chất xúc tác điện giàu đất được phát triển trực tiếp trên bọt niken thường có sẵn, nhưng điện cực ba chiều trên bọt niken cho OER và HER vẫn chưa được nghiên cứu rộng rãi, mặc dù chúng là những cấu trúc phân cấp xốp có chi phí thấp và dễ chế tạo.