Utilización de materiais nanoestruturados en materiais de espuma de níquel tridimensionais como electrocatalizadores para o craqueo de auga

O esgotamento dos combustibles fósiles e as crecentes preocupacións sobre as cuestións enerxéticas e ambientais levaron a grandes esforzos de investigación para desenvolver fontes de enerxía alternativas.Electrólise electroquímicade auga considérase unha estratexia prometedora para a produción de hidróxeno. Non obstante, o craqueo eficiente da auga require electrocatalizadores eficientes e duradeiros que poidan acelerar a cinética da reacción de extracción de osíxeno (OER) e da reacción de extracción de hidróxeno (HER). Os catalizadores que conteñen metais nobres, como o Pt e as súas aliaxes, RuO2 e IrO2, son actualmente os catalizadores máis eficientes para catalizar OER e HER. Non obstante, o alto custo e a escaseza de metais nobres dificultaron a súa aplicación a grande escala e o desenvolvemento de tecnoloxías de enerxía renovable. Para superar estas limitacións, fixéronse esforzos considerables para deseñar e sintetizar electrocatalizadores de metais non preciosos utilizando materiais abundantes en terra como alternativas económicas aos OER e OERHER. Os óxidos de metais de transición, sulfuros, fosfuros, materiais de carbono, seleniuros e complexos de metais mixtos foron amplamente estudados e mostraron un rendemento prometedor para OER e HER. Non obstante, a maioría destes electrocatalizadores requiren maiores potenciais que os catalizadores baseados en metais nobres, e a mellora da súa estabilidade segue sendo crucial. Polo tanto, hai unha necesidade urxente de desenvolver unha estrutura de electrodos alternativa de baixo custo e eficiente con alta actividade e estabilidade a longo prazo para unha división eficiente da auga.

No campo das aplicacións electroquímicas, utilizáronse dúas estratexias principais para preparar os electrodos. A primeira técnica e a máis utilizada consiste no uso de catalizadores en forma de po. Normalmente, os eléctrodos constrúense utilizando suspensións de materiais electroactivos, potenciadores de condutividade e adhesivos sobre substratos condutores. Non obstante, este enfoque non está exento de inconvenientes. A principal desvantaxe é a necesidade dun aglutinante eléctricamente illante, que reduce a área de contacto entre o electrólito e o catalizador. Isto pode levar ao bloqueo dos sitios catalíticamente activos, resultando en alta resistencia e redución do rendemento electrocatalítico. Ademais, os electrodos son relativamente inestables, xa que o catalizador conectado tende a desprenderse do substrato condutor a altas densidades de corrente. A segunda estratexia principal para a preparación de electrodos é o uso de materiais a base de metais nobres que se electrodepositan directamente sobre o substrato condutor, como escuma de níquel, folla de cobre, tea de carbono ou papel, FTO, aceiro inoxidable e folla de níquel. Non obstante, este enfoque non está exento de limitacións. É difícil controlar con precisión o espazo accesible entre os materiais activos depositados e, polo tanto, o rendemento do electrodo diminúe co aumento do espesor da película debido á inaccesibilidade do substrato aos sitios catalíticamente activos no seu interior. Ademais, a complexidade e o alto custo do método dificultan moito a súa aplicación práctica. Polo tanto, o desenvolvemento de técnicas de fabricación rendibles paraelectrodos tridimensionais (3D).necesario para aplicacións electroquímicas exitosas.

O desenvolvemento de novos materiais metálicos tridimensionais con estruturas porosas e altas superficies específicas atraeu considerable atención debido ao seu potencial para reducir a lonxitude da difusión iónica e aumentar a condutividade iónica e electrónica. Polo tanto, unha dirección prometedora para o deseño de electrocatalizadores é combinar diferentes dimensións estruturais para crear un composto nanoestruturado de portadores de catalizadores que proporcionen alta condutividade, gran superficie e alta estabilidade.Espuma de níquel(NF), un material dispoñible comercialmente e barato, foi amplamente utilizado como substrato e soporte para materiais de electrodos debido á súa desexable estrutura tridimensional de poros abertos, alta condutividade eléctrica e gran área de superficie específica. Os microporos e o fluxo irregular. canles dentro das NF tamén proporcionan unha boa transferencia de masa e unha gran superficie por unidade de área. Exploráronse varios substratos, incluíndo diferentes espumas metálicas, mallas, follas e tecidos, como colectores para aplicacións electroquímicas, como baterías de ión-litio, supercondensadores, células solares e división de auga. En particular, os NF porosos chamaron a atención polo seu baixo custo, condutividade eléctrica e gran superficie electroactiva, o que é ideal para cargar catalizadores e aumentar os sitios activos electroquímicos. Ademais, os NF porosos teñen vantaxes para mellorar o transporte de masa de electrólitos, polo que son candidatos axeitados para colectores de corrente de gran superficie en aplicacións enerxéticas. O crecemento directo de materiais activos na escuma de níquel tamén mellora o contacto catalizador-substrato para unha transferencia eficiente de electróns nas reaccións de craqueo de auga. Aínda que os electrodos de supercondensadores e baterías seguen sendo as principais aplicacións dos NF, estudos recentes demostraron que os materiais de electrodos depositados neste material teñen unha actividade OER superior que as follas e redes de Ni. Estes materiais pódense aplicar na súa forma natural ou decorados con materiais activos, e as espumas pódense utilizar tanto como colectores como como substratos de soporte. Así, o crecemento dun material catalítico nanoestruturado e rico en terra sobre substratos NF é prometedor para o desenvolvemento de materiais de electrodos avanzados para dispositivos de almacenamento/conversión de enerxía. Aínda que os electrocatalizadores ricos en terra cultivados directamente sobre escuma de níquel están comúnmente dispoñibles, os electrodos tridimensionais en escuma de níquel para REA e HER non foron investigados amplamente, aínda que son estruturas xerárquicas porosas que son de baixo custo e fáciles de fabricar.