Penggunaan bahan berstruktur nano pada bahan buih nikel tiga dimensi sebagai pemangkin untuk keretakan air

Kehabisan bahan api fosil dan kebimbangan yang semakin meningkat tentang tenaga dan isu alam sekitar telah membawa kepada usaha penyelidikan yang meluas untuk membangunkan sumber tenaga alternatif.Elektrolisis elektrokimiaair dianggap sebagai strategi yang menjanjikan untuk pengeluaran bahan api hidrogen. Walau bagaimanapun, keretakan air yang cekap memerlukan elektromangkin yang cekap dan tahan lama yang boleh mempercepatkan kinetik tindak balas pengekstrakan oksigen (OER) dan tindak balas pengekstrakan hidrogen (HER). Mulialogam-mengandungi mangkin, seperti Pt dan aloinya, RuO2 dan IrO2, pada masa ini merupakan pemangkin yang paling cekap untuk memangkin OER dan HER. Walau bagaimanapun, kos tinggi dan kekurangan logam mulia telah menghalang aplikasi berskala besar dan pembangunan teknologi tenaga boleh diperbaharui. Untuk mengatasi batasan ini, banyak usaha telah dibuat untuk mereka bentuk dan mensintesis elektromangkin logam bukan berharga menggunakan bahan yang banyak terdapat di bumi sebagai alternatif yang menjimatkan kepada OER dan OERHER. Oksida logam peralihan, sulfida, fosfida, bahan karbon, selenida, dan kompleks logam campuran telah dikaji secara meluas dan telah menunjukkan prestasi yang menjanjikan untuk OER dan HER. Walau bagaimanapun, kebanyakan pemangkin elektro ini memerlukan lebihan potensi yang lebih tinggi daripada pemangkin berasaskan logam mulia, dan meningkatkan kestabilan mereka tetap penting. Oleh itu, terdapat keperluan mendesak untuk membangunkan struktur elektrod alternatif kos rendah dan cekap dengan aktiviti tinggi dan kestabilan jangka panjang untuk pemisahan air yang cekap.

Dalam bidang aplikasi elektrokimia, dua strategi utama telah digunakan untuk menyediakan elektrod. Teknik pertama dan paling meluas digunakan melibatkan penggunaan mangkin dalam bentuk serbuk. Biasanya, elektrod dibina dengan menggunakan buburan bahan elektroaktif, penambah kekonduksian, dan pelekat pada substrat konduktif. Walau bagaimanapun, pendekatan ini bukan tanpa kelemahan. Kelemahan utama ialah keperluan untuk pengikat penebat elektrik, yang mengurangkan kawasan sentuhan antara elektrolit dan mangkin. Ini boleh menyebabkan penyekatan tapak aktif secara bermangkin, mengakibatkan rintangan yang tinggi dan prestasi elektrokatalitik berkurangan. Di samping itu, elektrod agak tidak stabil, kerana mangkin yang dipasang cenderung terkelupas daripada substrat pengalir pada ketumpatan arus yang tinggi. Strategi utama kedua untuk penyediaan elektrod ialah penggunaan bahan berasaskan logam mulia yang didepositkan terus ke substrat konduktif, seperti nikel.buih, kerajang tembaga, kain atau kertas karbon, FTO, keluli tahan karat dan kerajang nikel. Walau bagaimanapun, pendekatan ini bukan tanpa batasannya. Sukar untuk mengawal dengan tepat ruang yang boleh diakses antara bahan aktif yang dimendapkan dan, oleh itu, prestasi elektrod berkurangan dengan peningkatan ketebalan filem disebabkan oleh ketidakbolehcapaian substrat ke tapak aktif secara bermangkin di dalamnya. Di samping itu, kerumitan dan kos kaedah yang tinggi sangat menghalang penggunaan praktikalnya. Oleh itu, pembangunan teknik fabrikasi yang kos efektif untukelektrod tiga dimensi (3D).diperlukan untuk aplikasi elektrokimia yang berjaya.

Pembangunan bahan logam tiga dimensi baharu dengan struktur berliang dan luas permukaan spesifik yang tinggi telah menarik perhatian yang besar kerana potensinya untuk mengurangkan panjang penyebaran ion dan meningkatkan kekonduksian ionik dan elektronik. Oleh itu, hala tuju yang menjanjikan untuk reka bentuk elektromangkin adalah untuk menggabungkan dimensi struktur yang berbeza untuk mencipta komposit berstruktur nano pembawa mangkin yang memberikan kekonduksian tinggi, luas permukaan yang besar dan kestabilan yang tinggi.Buih nikel(NF), bahan yang boleh didapati secara komersil dan murah, telah digunakan secara meluas sebagai substrat dan pembawa untuk bahan elektrod kerana struktur liang terbuka tiga dimensi yang diingini, kekonduksian elektrik yang tinggi dan luas permukaan khusus yang besar. Mikropori dan saluran aliran bergerigi dalam NF juga menyediakan pemindahan jisim yang baik dan luas permukaan yang besar bagi setiap unit luas. Pelbagai substrat, termasuk buih logam, jerat, kerajang dan fabrik berbeza, telah diterokai sebagai pengumpul untuk aplikasi elektrokimia seperti bateri litium-ion, superkapasitor, sel suria dan pemisahan air. Khususnya, NF berliang telah menarik perhatian kerana kosnya yang rendah, kekonduksian elektrik, dan luas permukaan elektroaktif yang besar, yang sesuai untuk memuatkan pemangkin dan meningkatkan tapak aktif elektrokimia. Selain itu, NF berliang mempunyai kelebihan dalam meningkatkan pengangkutan jisim elektrolit, menjadikannya calon yang sesuai untuk pengumpul arus kawasan permukaan tinggi dalam aplikasi tenaga. Pertumbuhan langsung bahan aktif pada buih nikel juga meningkatkan sentuhan pemangkin-substrat untuk pemindahan elektron yang cekap dalam tindak balas keretakan air. Walaupun superkapasitor dan elektrod bateri kekal sebagai aplikasi utama untuk NF, kajian baru-baru ini telah menunjukkan bahawa bahan elektrod yang didepositkan pada bahan ini mempunyai aktiviti OER yang lebih baik daripada foil dan jaring Ni. Bahan-bahan ini boleh digunakan sama ada dalam bentuk semula jadi atau dihiasi dengan bahan aktif, dan buih boleh digunakan sebagai pengumpul dan substrat sokongan. Oleh itu, pertumbuhan bahan pemangkin berstruktur nano yang kaya dengan bumi pada substrat NF menjanjikan pembangunan bahan elektrod termaju untuk peranti penyimpanan/penukaran tenaga. Walaupun elektromangkin kaya bumi yang ditanam secara langsung pada buih nikel biasanya tersedia, elektrod tiga dimensi pada buih nikel untuk OER dan HER belum disiasat secara meluas, walaupun ia adalah struktur hierarki berliang yang kos rendah dan mudah dibuat.