Utilizzo di materiali nanostrutturati su materiali in schiuma di nichel tridimensionale come elettrocatalizzatori per il cracking dell'acqua

L'esaurimento dei combustibili fossili e le crescenti preoccupazioni relative ai problemi energetici e ambientali hanno portato a notevoli sforzi di ricerca per sviluppare fonti energetiche alternative.Elettrolisi elettrochimicaL'estrazione di acqua è considerata una strategia promettente per la produzione di idrogeno. Tuttavia, un cracking efficiente richiede elettrocatalizzatori efficienti e durevoli in grado di accelerare la cinetica della reazione di estrazione dell'ossigeno (OER) e della reazione di estrazione dell'idrogeno (HER). NobleMetalloI catalizzatori contenenti metalli nobili, come il Pt e le sue leghe, RuO₂ e IrO₂, sono attualmente i catalizzatori più efficienti per catalizzare OER e HER. Tuttavia, l'elevato costo e la scarsità dei metalli nobili ne hanno ostacolato l'applicazione su larga scala e lo sviluppo di tecnologie per le energie rinnovabili. Per superare queste limitazioni, sono stati compiuti notevoli sforzi per progettare e sintetizzare elettrocatalizzatori a base di metalli non preziosi, utilizzando materiali abbondanti sulla Terra come alternative economiche a OER e OERHER. Ossidi di metalli di transizione, solfuri, fosfuri, materiali carboniosi, seleniuri e complessi di metalli misti sono stati ampiamente studiati e hanno mostrato prestazioni promettenti per OER e HER. Tuttavia, la maggior parte di questi elettrocatalizzatori richiede sovrapotenziali più elevati rispetto ai catalizzatori a base di metalli nobili e il miglioramento della loro stabilità rimane cruciale. Pertanto, vi è un'urgente necessità di sviluppare una struttura elettrodica alternativa, economica ed efficiente, con elevata attività e stabilità a lungo termine per un'efficiente scissione dell'acqua.

Nel campo delle applicazioni elettrochimichePer la preparazione degli elettrodi sono state utilizzate due strategie principali. La prima, e più diffusa, tecnica prevede l'uso di catalizzatori in polvere. Tipicamente, gli elettrodi vengono realizzati utilizzando sospensioni di materiali elettroattivi, esaltatori di conduttività e adesivi su substrati conduttivi. Tuttavia, questo approccio non è privo di inconvenienti. Il principale svantaggio è la necessità di un legante elettricamente isolante, che riduce l'area di contatto tra l'elettrolita e il catalizzatore. Ciò può portare al blocco dei siti cataliticamente attivi, con conseguente elevata resistenza e riduzione delle prestazioni elettrocatalitiche. Inoltre, gli elettrodi sono relativamente instabili, poiché il catalizzatore attaccato tende a staccarsi dal substrato conduttivo ad alte densità di corrente. La seconda strategia principale per la preparazione degli elettrodi prevede l'uso di materiali a base di metalli nobili che vengono elettrodeposti direttamente sul substrato conduttivo, come il nichel.Schiuma, foglio di rame, tessuto o carta di carbonio, FTO, acciaio inossidabile e foglio di nichel. Tuttavia, questo approccio non è privo di limiti. È difficile controllare con precisione lo spazio accessibile tra i materiali attivi depositati e, pertanto, le prestazioni dell'elettrodo diminuiscono con l'aumentare dello spessore del film a causa dell'inaccessibilità del substrato ai siti cataliticamente attivi al suo interno. Inoltre, la complessità e l'elevato costo del metodo ne ostacolano notevolmente l'applicazione pratica. Pertanto, lo sviluppo di tecniche di fabbricazione economicamente vantaggiose perelettrodi tridimensionali (3D)è necessario per applicazioni elettrochimiche di successo.

Lo sviluppo di nuovi materiali metallici tridimensionali con strutture porose ed elevate aree superficiali specifiche ha attirato notevole attenzione grazie al loro potenziale di ridurre la lunghezza di diffusione ionica e aumentare la conduttività ionica ed elettronica. Pertanto, una direzione promettente per la progettazione di elettrocatalizzatori è quella di combinare diverse dimensioni strutturali al fine di creare un composito nanostrutturato di vettori catalitici che forniscano elevata conduttività, ampia area superficiale ed elevata stabilità.schiuma di nichel(NF), un materiale disponibile in commercio ed economico, è stato ampiamente utilizzato come substrato e vettore per materiali elettrodici grazie alla sua desiderabile struttura tridimensionale a pori aperti, all'elevata conduttività elettrica e all'ampia superficie specifica. I micropori e i canali di flusso frastagliati all'interno dei NF garantiscono inoltre un buon trasferimento di massa e un'ampia area superficiale per unità di superficie. Vari substrati, tra cui diverse schiume metalliche, reti, lamine e tessuti, sono stati esplorati come collettori per applicazioni elettrochimiche come batterie agli ioni di litio, supercondensatori, celle solari e scissione dell'acqua. In particolare, i NF porosi hanno attirato l'attenzione per il loro basso costo, la conduttività elettrica e l'ampia superficie elettroattiva, ideale per il caricamento dei catalizzatori e l'aumento dei siti attivi elettrochimici. Inoltre, i NF porosi presentano vantaggi nel migliorare il trasporto di massa degli elettroliti, rendendoli candidati idonei per collettori di corrente ad alta area superficiale nelle applicazioni energetiche. La crescita diretta di materiali attivi su schiuma di nichel migliora inoltre il contatto catalizzatore-substrato per un efficiente trasferimento di elettroni nelle reazioni di cracking dell'acqua. Sebbene gli elettrodi di supercondensatori e batterie rimangano le principali applicazioni per i NF, studi recenti hanno dimostrato che i materiali elettrodici depositati su questo materiale presentano un'attività OER superiore rispetto a fogli e reti di nichel. Questi materiali possono essere applicati nella loro forma naturale o decorati con materiali attivi, e le schiume possono essere utilizzate sia come collettori che come substrati di supporto. Pertanto, la crescita di un materiale catalitico nanostrutturato ricco di terre su substrati NF promette lo sviluppo di materiali elettrodici avanzati per dispositivi di accumulo/conversione dell'energia. Sebbene elettrocatalizzatori ricchi di terre cresciuti direttamente su schiuma di nichel siano comunemente disponibili, gli elettrodi tridimensionali su schiuma di nichel per OER e HER non sono stati ampiamente studiati, sebbene si tratti di strutture gerarchiche porose a basso costo e facili da fabbricare.