Defnyddio deunyddiau nanostrwythuredig ar ddeunyddiau ewyn nicel tri dimensiwn fel electrocatalysyddion ar gyfer cracio dŵr

Mae disbyddu tanwydd ffosil a phryderon cynyddol am ynni a materion amgylcheddol wedi arwain at ymdrechion ymchwil helaeth i ddatblygu ffynonellau ynni amgen.Electrolysis electrocemegolo ddŵr yn cael ei ystyried yn strategaeth addawol ar gyfer cynhyrchu tanwydd hydrogen. Fodd bynnag, mae angen electrocatalysyddion effeithlon a gwydn i gracio dŵr yn effeithlon a all gyflymu cineteg yr adwaith echdynnu ocsigen (OER) a'r adwaith echdynnu hydrogen (HER). Ar hyn o bryd, catalyddion sy'n cynnwys metel nobl, megis Pt a'i aloion, RuO2 ac IrO2, yw'r catalyddion mwyaf effeithlon ar gyfer cataleiddio OER a CAH. Fodd bynnag, mae cost uchel a phrinder metelau bonheddig wedi rhwystro eu cymhwysiad ar raddfa fawr a datblygiad technolegau ynni adnewyddadwy. Er mwyn goresgyn y cyfyngiadau hyn, gwnaed ymdrechion sylweddol i ddylunio a syntheseiddio electrocatalyddion metel anwerthfawr gan ddefnyddio deunyddiau toreithiog o bridd fel dewisiadau darbodus yn lle OER ac OERHER. Mae ocsidau metel trosiannol, sylffidau, ffosffidau, deunyddiau carbon, selenidau, a chyfadeiladau metel cymysg wedi'u hastudio'n helaeth ac wedi dangos perfformiad addawol ar gyfer OER a CAH. Fodd bynnag, mae angen gor-botensial ar y rhan fwyaf o'r electrocatalyst hyn na chatalyddion metel nobl, ac mae gwella eu sefydlogrwydd yn parhau i fod yn hollbwysig. Felly, mae angen datblygu strwythur electrod amgen cost isel ac effeithlon ar frys gyda gweithgaredd uchel a sefydlogrwydd hirdymor ar gyfer hollti dŵr yn effeithlon.

Ym maes cymwysiadau electrocemegol, defnyddiwyd dwy brif strategaeth i baratoi electrodau. Mae'r dechneg gyntaf a'r un a ddefnyddir fwyaf yn cynnwys defnyddio catalyddion ar ffurf powdr. Yn nodweddiadol, caiff electrodau eu hadeiladu trwy ddefnyddio slyri o ddeunyddiau electroactif, teclynnau gwella dargludedd, a gludyddion ar swbstradau dargludol. Fodd bynnag, nid yw'r dull hwn heb anfanteision. Y prif anfantais yw'r gofyniad am rwymwr wedi'i inswleiddio'n drydanol, sy'n lleihau'r ardal gyswllt rhwng yr electrolyte a'r catalydd. Gall hyn arwain at rwystro'r safleoedd sy'n gatalytig actif, gan arwain at ymwrthedd uchel a llai o berfformiad electrocatalytig. Yn ogystal, mae'r electrodau'n gymharol ansefydlog, gan fod y catalydd atodedig yn tueddu i dynnu oddi ar y swbstrad dargludo ar ddwysedd cyfredol uchel. Yr ail brif strategaeth ar gyfer paratoi electrod yw defnyddio deunyddiau metel nobl sy'n cael eu electrodeposited yn uniongyrchol ar y swbstrad dargludol, fel ewyn nicel, ffoil copr, brethyn carbon neu bapur, FTO, dur gwrthstaen a ffoil nicel. Fodd bynnag, nid yw'r dull hwn heb ei gyfyngiadau. Mae'n anodd rheoli'n union y gofod hygyrch rhwng y deunyddiau gweithredol a adneuwyd ac, felly, mae perfformiad yr electrod yn lleihau gyda thrwch ffilm cynyddol oherwydd anhygyrchedd y swbstrad i'r safleoedd sy'n weithgar yn gatalytig y tu mewn. Yn ogystal, mae cymhlethdod a chost uchel y dull yn rhwystro ei gymhwysiad ymarferol yn fawr. Felly, mae datblygu technegau saernïo cost-effeithiol ar gyferelectrodau tri dimensiwn (3D).yn angenrheidiol ar gyfer cymwysiadau electrocemegol llwyddiannus.

Mae datblygiad deunyddiau metelaidd tri dimensiwn newydd gyda strwythurau mandyllog ac ardaloedd arwyneb penodol uchel wedi denu cryn sylw oherwydd eu potensial i leihau hyd trylediad ïon a chynyddu dargludedd ïonig ac electronig. Felly, cyfeiriad addawol ar gyfer dylunio electrocatalyst yw cyfuno gwahanol ddimensiynau strwythurol er mwyn creu cyfansawdd nanostrwythuredig o gludwyr catalydd sy'n darparu dargludedd uchel, arwynebedd arwyneb mawr a sefydlogrwydd uchel.Ewyn nicel(NF), deunydd sydd ar gael yn fasnachol ac yn rhad, wedi'i ddefnyddio'n helaeth fel swbstrad a chludwr ar gyfer deunyddiau electrod oherwydd ei strwythur mandwll agored tri dimensiwn dymunol, dargludedd trydanol uchel, a micropores arwyneb penodol mawr a llif danheddog. mae sianeli o fewn y NFs hefyd yn darparu trosglwyddiad màs da ac arwynebedd arwyneb mawr fesul ardal uned. Mae swbstradau amrywiol, gan gynnwys gwahanol ewynau metel, rhwyllau, ffoil a ffabrigau, wedi'u harchwilio fel casglwyr ar gyfer cymwysiadau electrocemegol megis batris lithiwm-ion, uwch-gynwysyddion, celloedd solar a hollti dŵr. Yn benodol, mae NFs mandyllog wedi denu sylw oherwydd eu cost isel, dargludedd trydanol, ac arwynebedd arwyneb electroactif mawr, sy'n ddelfrydol ar gyfer llwytho catalyddion a chynyddu safleoedd gweithredol electrocemegol. Yn ogystal, mae gan NF mandyllog fanteision o ran gwella cludiant màs electrolytau, gan eu gwneud yn ymgeiswyr addas ar gyfer casglwyr cerrynt arwyneb uchel mewn cymwysiadau ynni. Mae twf uniongyrchol deunyddiau gweithredol ar ewyn nicel hefyd yn gwella cyswllt catalydd-swbstrad ar gyfer trosglwyddo electronau effeithlon mewn adweithiau cracio dŵr. Er mai electrodau supercapacitor a batri yw'r prif gymwysiadau ar gyfer NFs o hyd, mae astudiaethau diweddar wedi dangos bod gan ddeunyddiau electrod a adneuwyd ar y deunydd hwn weithgaredd OER uwch na ffoiliau a rhwydi Ni. Gellir cymhwyso'r deunyddiau hyn naill ai yn eu ffurf naturiol neu eu haddurno â deunyddiau gweithredol, a gellir defnyddio'r ewynau fel casglwyr a swbstradau cynnal. Felly, mae twf deunydd catalytig nanostrwythuredig, daear-gyfoethog ar swbstradau NF yn addo datblygu deunyddiau electrod datblygedig ar gyfer dyfeisiau storio / trosi ynni. Er bod electrocatalystau daear-gyfoethog a dyfir yn uniongyrchol ar ewyn nicel ar gael yn gyffredin, nid yw electrodau tri dimensiwn ar ewyn nicel ar gyfer OERs a CAHau wedi cael eu hymchwilio'n helaeth, er eu bod yn strwythurau hierarchaidd mandyllog sy'n gost isel ac yn hawdd eu gwneud.