استخدام المواد النانوية على مواد رغوة النيكل ثلاثية الأبعاد كمحفزات كهربائية لتكسير الماء

لقد أدى استنفاد الوقود الأحفوري والمخاوف المتزايدة بشأن قضايا الطاقة والبيئة إلى بذل جهود بحثية واسعة النطاق لتطوير مصادر الطاقة البديلة.التحليل الكهربائي الكيميائييُعتبر تكسير الماء استراتيجية واعدة لإنتاج وقود الهيدروجين. ومع ذلك، يتطلب التكسير الفعال للماء محفزات كهربائية فعالة ومتينة تُسرّع حركية تفاعل استخلاص الأكسجين (OER) وتفاعل استخلاص الهيدروجين (HER). نوبلمعدنتُعدّ المحفزات المحتوية على البلاتين، مثل البلاتين وسبائكه، وثاني أكسيد الروثينيوم (RuO2) وثاني أكسيد الإريديوم (IrO2)، حاليًا من أكثر المحفزات كفاءةً في تحفيز تفاعلات OER وHER. إلا أن ارتفاع تكلفة المعادن النبيلة ونُدرها أعاقا تطبيقها على نطاق واسع وتطوير تقنيات الطاقة المتجددة. وللتغلب على هذه القيود، بُذلت جهودٌ كبيرة لتصميم وتصنيع محفزات كهربائية من معادن غير ثمينة باستخدام مواد متوفرة بكثرة في الأرض كبدائل اقتصادية لتفاعلات OER وOERHER. وقد دُرست أكاسيد المعادن الانتقالية، والكبريتيدات، والفوسفيدات، والمواد الكربونية، والسيلنيدات، ومعقدات المعادن المختلطة على نطاق واسع، وأظهرت أداءً واعدًا لتفاعلات OER وHER. ومع ذلك، تتطلب معظم هذه المحفزات الكهربائية جهدًا زائدًا أعلى من المحفزات القائمة على المعادن النبيلة، ويظل تحسين استقرارها أمرًا بالغ الأهمية. لذلك، ثمة حاجة ملحة لتطوير بنية قطب كهربائي بديلة منخفضة التكلفة وفعالة، ذات نشاط عالٍ واستقرار طويل الأمد، لفصل الماء بكفاءة.

في مجال التطبيقات الكهروكيميائيةاستُخدمت استراتيجيتان رئيسيتان لتحضير الأقطاب الكهربائية. تتضمن التقنية الأولى، وهي الأكثر شيوعًا، استخدام المحفزات على شكل مسحوق. عادةً ما تُصنع الأقطاب الكهربائية باستخدام خليط من المواد النشطة كهربائيًا، ومعززات التوصيل، والمواد اللاصقة على ركائز موصلة. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لا تخلو من العيوب. يتمثل العيب الرئيسي في الحاجة إلى رابط عازل كهربائيًا، مما يقلل من مساحة التلامس بين الإلكتروليت والمحفز. قد يؤدي هذا إلى انسداد المواقع النشطة تحفيزيًا، مما ينتج عنه مقاومة عالية وانخفاض في الأداء التحفيزي الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، تُعد الأقطاب الكهربائية غير مستقرة نسبيًا، حيث يميل المحفز المتصل إلى التقشر عن الركيزة الموصلة عند كثافات تيار عالية. أما الاستراتيجية الرئيسية الثانية لتحضير الأقطاب الكهربائية فهي استخدام مواد أساسها معادن نبيلة، تُرسب كهربائيًا مباشرة على الركيزة الموصلة، مثل النيكل.رغوة، رقائق النحاس، قماش أو ورق الكربون، FTO، الفولاذ المقاوم للصدأ، ورقائق النيكل. ومع ذلك، فإن هذا النهج ليس خاليًا من القيود. فمن الصعب التحكم بدقة في المساحة المتاحة بين المواد الفعالة المترسبة، وبالتالي، ينخفض ​​أداء القطب مع زيادة سمك الغشاء بسبب عدم وصول الركيزة إلى المواقع النشطة تحفيزيًا داخلها. بالإضافة إلى ذلك، فإن تعقيد هذه الطريقة وتكلفتها العالية يعيقان تطبيقها العملي بشكل كبير. لذلك، فإن تطوير تقنيات تصنيع فعالة من حيث التكلفة لـأقطاب كهربائية ثلاثية الأبعاد (3D)ضروري للتطبيقات الكهروكيميائية الناجحة.

استقطب تطوير مواد معدنية جديدة ثلاثية الأبعاد ذات هياكل مسامية ومساحات سطحية نوعية عالية اهتمامًا كبيرًا نظرًا لقدرتها على تقليل طول انتشار الأيونات وزيادة التوصيل الأيوني والإلكتروني. لذلك، يُعدّ الجمع بين أبعاد هيكلية مختلفة لإنشاء مركب نانوي من حاملات المحفزات اتجاهًا واعدًا في تصميم المحفزات الكهربائية.رغوة النيكل(NF)، مادة متوفرة تجاريًا وغير مكلفة، تُستخدم على نطاق واسع كركيزة وحامل لمواد الأقطاب الكهربائية نظرًا لبنيتها المسامية المفتوحة ثلاثية الأبعاد المرغوبة، وموصليتها الكهربائية العالية، ومساحتها السطحية النوعية الكبيرة. كما توفر المسام الدقيقة وقنوات التدفق المسننة داخل NFs نقلًا جيدًا للكتلة ومساحة سطحية كبيرة لكل وحدة مساحة. وقد تم استكشاف ركائز مختلفة، بما في ذلك رغاوي معدنية مختلفة، وشبكات، ورقائق، وأقمشة، كمجمعات للتطبيقات الكهروكيميائية مثل بطاريات أيونات الليثيوم، والمكثفات الفائقة، والخلايا الشمسية، وفصل الماء. وعلى وجه الخصوص، جذبت NFs المسامية الاهتمام نظرًا لتكلفتها المنخفضة، وموصليتها الكهربائية، ومساحتها السطحية الكهروكيميائية الكبيرة، وهي مثالية لتحميل المحفزات وزيادة المواقع النشطة الكهروكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، تتميز NFs المسامية بمزايا تحسين نقل كتلة الإلكتروليتات، مما يجعلها مرشحة مناسبة لمجمعات التيار ذات مساحة السطح العالية في تطبيقات الطاقة. كما يُعزز النمو المباشر للمواد الفعالة على رغوة النيكل تلامس المحفز بالركيزة لضمان نقل الإلكترونات بكفاءة في تفاعلات التكسير المائي. بينما تظل أقطاب المكثفات الفائقة والبطاريات التطبيقات الرئيسية للأقطاب الكهربائية النانوية، فقد أظهرت دراسات حديثة أن مواد الأقطاب الكهربائية المترسبة على هذه المادة تتمتع بنشاط طاقة كهربائية خارجية (OER) أعلى من رقائق وشبكات النيكل. يمكن تطبيق هذه المواد إما في شكلها الطبيعي أو مزينة بمواد فعالة، ويمكن استخدام الرغوات كمجمعات وركائز داعمة. وبالتالي، فإن نمو مادة محفزة نانوية غنية بالتربة على ركائز من الألياف النانوية يبشر بتطوير مواد أقطاب كهربائية متقدمة لأجهزة تخزين/تحويل الطاقة. على الرغم من توفر المحفزات الكهربائية الغنية بالتربة المزروعة مباشرة على رغوة النيكل بشكل شائع، إلا أن الأقطاب الكهربائية ثلاثية الأبعاد على رغوة النيكل لم تُدرس بشكل مكثف، على الرغم من أنها هياكل هرمية مسامية منخفضة التكلفة وسهلة التصنيع.