Суды крекингке арналған электрокатализаторлар ретінде үш өлшемді никель көбік материалдарында наноқұрылымды материалдарды пайдалану

Қазба отындарының сарқылуы және энергетика және қоршаған орта мәселелеріне қатысты алаңдаушылықтың артуы баламалы энергия көздерін дамыту бойынша ауқымды зерттеулерге әкелді.Электрохимиялық электролизсутекті отын өндірудің перспективалық стратегиясы болып саналады. Дегенмен, тиімді су крекингі үшін оттегі-экстракция реакциясының (OER) және сутегі-экстракция реакциясының (HER) кинетикасын жеделдете алатын тиімді және ұзақ электрокатализаторлар қажет. Pt және оның қорытпалары, RuO2 және IrO2 сияқты құрамында асыл металдары бар катализаторлар қазіргі уақытта OER және HER катализаторлары үшін ең тиімді катализаторлар болып табылады. Алайда асыл металдардың қымбаттығы мен тапшылығы олардың кең ауқымда қолданылуына және жаңартылатын энергия технологияларының дамуына кедергі келтірді. Осы шектеулерді еңсеру үшін OER және OERHER-ке үнемді балама ретінде жер бетінде мол материалдарды пайдалана отырып, бағалы емес металдардың электрокатализаторларын жобалау және синтездеу үшін көп күш жұмсалды. Өтпелі металл оксидтері, сульфидтер, фосфидтер, көміртегі материалдары, селенидтер және аралас металдық кешендер жан-жақты зерттелді және OER және HER үшін перспективалы өнімділікті көрсетті. Дегенмен, бұл электрокатализаторлардың көпшілігі асыл металдар негізіндегі катализаторларға қарағанда жоғары артық потенциалдарды қажет етеді және олардың тұрақтылығын жақсарту өте маңызды болып қала береді. Сондықтан суды тиімді бөлу үшін жоғары белсенділік пен ұзақ мерзімді тұрақтылыққа ие, арзан және тиімді альтернативті электрод құрылымын жасаудың шұғыл қажеттілігі бар.

Электрохимиялық қолдану саласында, электродтарды дайындау үшін екі негізгі стратегия қолданылды. Бірінші және ең көп қолданылатын әдіс катализаторларды ұнтақ түрінде қолдануды қамтиды. Әдетте электродтар электроактивті материалдардың суспензияларын, өткізгіштік күшейткіштерді және өткізгіш негіздерде желімдерді қолдану арқылы жасалады. Дегенмен, бұл әдіс кемшіліктерсіз емес. Негізгі кемшілігі - электролит пен катализатор арасындағы байланыс аймағын азайтатын электр оқшаулағыш байланыстырғышқа қойылатын талап. Бұл каталитикалық белсенді учаскелердің бітелуіне, нәтижесінде жоғары қарсылыққа және электрокаталитикалық өнімділікке әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, электродтар салыстырмалы түрде тұрақсыз, өйткені бекітілген катализатор токтың жоғары тығыздығында өткізгіш субстраттан жұлынуға бейім. Электродты дайындаудың екінші негізгі стратегиясы - никель көбік, мыс фольга, көміртекті шүберек немесе қағаз, FTO, тот баспайтын болат және никель фольга сияқты өткізгіш субстратқа тікелей электродпен салынған асыл метал негізіндегі материалдарды пайдалану. Дегенмен, бұл тәсілдің шектеулері жоқ емес. Шөгілген белсенді материалдар арасындағы қол жетімді кеңістікті дәл бақылау қиын, сондықтан электродтың өнімділігі қабаттың ішіндегі каталитикалық белсенді учаскелерге қол жетімсіздігіне байланысты пленка қалыңдығы артқан сайын төмендейді. Сонымен қатар, әдістің күрделілігі мен жоғары құны оның практикалық қолданылуына үлкен кедергі келтіреді. Сондықтан өндірістің үнемді әдістерін әзірлеуүш өлшемді (3D) электродтарсәтті электрохимиялық қолдану үшін қажет.

Кеуекті құрылымдары мен жоғары меншікті беттік аудандары бар жаңа үш өлшемді металл материалдардың дамуы олардың иондық диффузия ұзақтығын қысқарту және иондық және электронды өткізгіштікті арттыру мүмкіндігіне байланысты айтарлықтай назар аударды. Сондықтан электрокатализаторды жобалаудың перспективті бағыты жоғары өткізгіштік, үлкен беттік аудан және жоғары тұрақтылықты қамтамасыз ететін катализаторды тасымалдаушылардың наноқұрылымды композициясын жасау үшін әртүрлі құрылымдық өлшемдерді біріктіру болып табылады.Никель көбік(NF) коммерциялық қол жетімді және арзан материал үш өлшемді ашық кеуекті құрылымына, жоғары электр өткізгіштігіне және үлкен меншікті бетінің ауданына байланысты электродтық материалдар үшін субстрат және тасымалдаушы ретінде кеңінен қолданылады. Микрокеуектер мен саңылаусыз ағын ҰФ ішіндегі арналар да жақсы масса алмасуды және аудан бірлігіне келетін үлкен бетті қамтамасыз етеді. Литий-ионды батареялар, суперконденсаторлар, күн батареялары және суды бөлу сияқты электрохимиялық қолданбалар үшін коллекторлар ретінде әртүрлі субстраттар, соның ішінде әртүрлі металл көбіктері, торлар, фольгалар мен маталар зерттелді. Атап айтқанда, кеуекті NFs олардың төмен құнымен, электр өткізгіштігімен және үлкен электроактивті бетінің ауданымен назар аударды, бұл катализаторларды жүктеу және электрохимиялық белсенді учаскелерді арттыру үшін өте қолайлы. Сонымен қатар, кеуекті NF электролиттердің массалық тасымалдануын арттыруда артықшылықтарға ие, бұл оларды энергияны қолдануда жоғары беттік ток коллекторлары үшін қолайлы кандидаттар етеді. Никель көбікіндегі белсенді заттардың тікелей өсуі суды крекинг реакцияларында тиімді электронды тасымалдау үшін катализатор-субстрат байланысын күшейтеді. Суперконденсаторлар мен батарея электродтары NF үшін негізгі қолданбалар болып қала бергенімен, соңғы зерттеулер осы материалға орналастырылған электродтық материалдар Ni фольгалары мен торларына қарағанда жоғары OER белсенділігіне ие екенін көрсетті. Бұл материалдарды табиғи түрде қолдануға немесе белсенді материалдармен безендіруге болады, ал көбіктерді коллектор ретінде де, тірек субстраттары ретінде де қолдануға болады. Осылайша, NF субстраттарында наноқұрылымды, жерге бай каталитикалық материалдың өсуі энергияны сақтау/түрлендіру құрылғылары үшін озық электродтық материалдарды әзірлеуге уәде береді. Тікелей никель көбікте өсірілетін жерге бай электрокатализаторлар әдетте қол жетімді болғанымен, OER және HER үшін никель көбікіндегі үш өлшемді электродтар кең көлемде зерттелмеген, дегенмен олар кеуекті иерархиялық құрылымдар болып табылады, олар құны төмен және жасалуы оңай.