Nutzung nanostrukturierter Materialien auf dreidimensionalen Nickelschaummaterialien als Elektrokatalysatoren für das Wassercracken

Die Erschöpfung fossiler Brennstoffe und die wachsende Besorgnis über Energie- und Umweltprobleme haben zu umfangreichen Forschungsanstrengungen zur Entwicklung alternativer Energiequellen geführt.Elektrochemische ElektrolyseDie Spaltung von Wasser gilt als vielversprechende Strategie für die Wasserstoffproduktion. Für eine effiziente Wasserspaltung sind jedoch effiziente und langlebige Elektrokatalysatoren erforderlich, die die Kinetik der Sauerstoffextraktionsreaktion (OER) und der Wasserstoffextraktionsreaktion (HER) beschleunigen können. EdelMetall-haltige Katalysatoren wie Pt und seine Legierungen RuO2 und IrO2 sind derzeit die effizientesten Katalysatoren für die OER- und HER-Katalysierung. Die hohen Kosten und die Knappheit von Edelmetallen behindern jedoch ihre großflächige Anwendung und die Entwicklung von Technologien für erneuerbare Energien. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Elektrokatalysatoren auf Basis unedler Metalle aus in der Erde reichlich vorhandenen Materialien als wirtschaftliche Alternativen zu OER und OERHER zu entwickeln und zu synthetisieren. Übergangsmetalloxide, -sulfide, -phosphide, Kohlenstoffmaterialien, -selenide und -mischmetallkomplexe wurden umfassend untersucht und zeigten vielversprechende Ergebnisse für OER und HER. Die meisten dieser Elektrokatalysatoren erfordern jedoch höhere Überspannungen als Katalysatoren auf Edelmetallbasis, und die Verbesserung ihrer Stabilität bleibt von entscheidender Bedeutung. Daher besteht dringender Bedarf an der Entwicklung einer kostengünstigen und effizienten alternativen Elektrodenstruktur mit hoher Aktivität und Langzeitstabilität für eine effiziente Wasserspaltung.

Im Bereich elektrochemischer Anwendungenwurden zwei Hauptstrategien zur Herstellung von Elektroden verfolgt. Die erste und am weitesten verbreitete Technik beinhaltet die Verwendung von Katalysatoren in Pulverform. Typischerweise werden Elektroden aus Aufschlämmungen elektroaktiver Materialien, Leitfähigkeitsverstärkern und Klebstoffen auf leitfähigen Substraten hergestellt. Dieser Ansatz ist jedoch nicht ohne Nachteile. Der Hauptnachteil ist die Notwendigkeit eines elektrisch isolierenden Bindemittels, das die Kontaktfläche zwischen Elektrolyt und Katalysator reduziert. Dies kann zur Blockierung der katalytisch aktiven Stellen führen, was zu einem hohen Widerstand und einer verringerten elektrokatalytischen Leistung führt. Zudem sind die Elektroden relativ instabil, da sich der anhaftende Katalysator bei hohen Stromdichten vom leitfähigen Substrat ablöst. Die zweite Hauptstrategie zur Elektrodenherstellung ist die Verwendung von Edelmetallen, die direkt auf dem leitfähigen Substrat galvanisch abgeschieden werden, wie z. B. NickelSchaum, Kupferfolie, Kohlenstoffgewebe oder -papier, FTO, Edelstahl und Nickelfolie. Dieser Ansatz ist jedoch nicht ohne Einschränkungen. Es ist schwierig, den zugänglichen Raum zwischen den abgeschiedenen aktiven Materialien präzise zu kontrollieren, wodurch die Elektrodenleistung mit zunehmender Filmdicke aufgrund der Unzugänglichkeit des Substrats zu den katalytisch aktiven Stellen im Inneren abnimmt. Darüber hinaus erschweren die Komplexität und die hohen Kosten des Verfahrens seine praktische Anwendung erheblich. Daher ist die Entwicklung kostengünstiger Herstellungsverfahren fürdreidimensionale (3D) Elektrodenist für erfolgreiche elektrochemische Anwendungen notwendig.

Die Entwicklung neuer dreidimensionaler metallischer Werkstoffe mit porösen Strukturen und hohen spezifischen Oberflächen hat aufgrund ihres Potenzials, die Ionendiffusionslänge zu verkürzen und die ionische und elektronische Leitfähigkeit zu erhöhen, große Aufmerksamkeit erregt. Daher liegt eine vielversprechende Entwicklungsidee für Elektrokatalysatoren in der Kombination verschiedener Strukturdimensionen, um nanostrukturierte Katalysatorträgerverbunde mit hoher Leitfähigkeit, großer Oberfläche und hoher Stabilität zu schaffen.Nickelschaum(NF), ein kommerziell erhältliches und kostengünstiges Material, wird aufgrund seiner wünschenswerten dreidimensionalen offenporigen Struktur, seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und großen spezifischen Oberfläche häufig als Substrat und Träger für Elektrodenmaterialien verwendet. Die Mikroporen und gezackten Strömungskanäle in den NFs sorgen außerdem für einen guten Massentransport und eine große Oberfläche pro Flächeneinheit. Verschiedene Substrate, darunter unterschiedliche Metallschäume, Netze, Folien und Gewebe, wurden als Kollektoren für elektrochemische Anwendungen wie Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren, Solarzellen und die Wasserspaltung untersucht. Insbesondere poröse NFs haben aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer elektrischen Leitfähigkeit und ihrer großen elektroaktiven Oberfläche, die sich ideal zum Beladen von Katalysatoren und zur Vergrößerung elektrochemisch aktiver Stellen eignet, Aufmerksamkeit erregt. Darüber hinaus haben poröse NFs Vorteile bei der Verbesserung des Massentransports von Elektrolyten, was sie zu geeigneten Kandidaten für Stromkollektoren mit großer Oberfläche in Energieanwendungen macht. Das direkte Wachstum von aktiven Materialien auf Nickelschaum verbessert zudem den Katalysator-Substrat-Kontakt für einen effizienten Elektronentransfer bei Wasserspaltreaktionen. Während Superkondensatoren und Batterieelektroden nach wie vor die Hauptanwendungsgebiete für NFs sind, haben neuere Studien gezeigt, dass auf diesem Material abgeschiedene Elektrodenmaterialien eine höhere OER-Aktivität aufweisen als Ni-Folien und -Netze. Diese Materialien können entweder in ihrer natürlichen Form oder dekoriert mit aktiven Materialien aufgebracht werden, und die Schäume können sowohl als Kollektoren als auch als Trägersubstrate verwendet werden. Daher ist das Wachstum eines nanostrukturierten, erdreichen katalytischen Materials auf NF-Substraten vielversprechend für die Entwicklung fortschrittlicher Elektrodenmaterialien für Geräte zur Energiespeicherung und -umwandlung. Obwohl direkt auf Nickelschaum gewachsene erdreiche Elektrokatalysatoren allgemein verfügbar sind, wurden dreidimensionale Elektroden auf Nickelschaum für OERs und HERs noch nicht umfassend untersucht, obwohl es sich dabei um poröse hierarchische Strukturen handelt, die kostengünstig und einfach herzustellen sind.