化石燃料的枯竭和对能源和环境问题的日益重视,促使人们广泛研究开发替代能源。电化学电解水被认为是一种非常有前途的氢燃料生产策略。但是,高效的水裂解需要高效、持久的电催化剂,能加速析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的动力学。Pt及其合金、RuO2、IrO2等高贵含金属催化剂,是目前最有效的催化OER和HER催化剂。但是,贵金属的高成本和稀缺性阻碍了其大规模应用和可再生能源技术的发展。为了克服这些限制,人们在设计和合成非贵金属电催化剂方面做出了巨大努力,并使用丰富的地球材料作为OER和OERHER的经济替代品。广泛研究过渡金属氧化物、硫化物、磷化物、碳材料、硒化物和混合金属配合物,对OER和HER具有良好的性能。但是,这些电催化剂大多需要比贵金属基催化剂更高的过电位,提高其稳定性仍然很重要。所以,为了实现高效的水分裂,迫切需要开发一种低成本、高效、高活性、长期稳定的替代电极结构。

纳米结构材料采用三维镍泡沫材料作为水裂解电催化剂,值得关注


在电化学应用领域,制备电极采用了两种主要策略。第一种也是应用最广泛的技术,涉及到使用粉状催化剂。一般情况下,电极是由电活性材料的浆料、电导率增强剂和导电基板上的粘合剂组成的。但是,这种方法并非没有缺点。其主要缺点是需要电绝缘粘合剂,它可以减少电解质与催化剂之间的接触面积。这样可以阻断催化活性位点,从而导致高阻力和降低电催化性能。另外,由于附着的催化剂在高电流密度下往往会从导电基板上剥离,因此电极的稳定性相对较差。电极制备的第二个主要策略是使用贵金属基材,它们直接沉积在导电基板上,如泡沫镍、铜箔、碳布或纸张。FTO、不锈钢和镍箔。但是,这种方法并非没有其局限性。很难准确控制沉积的活性材料之间的可访问空间。因此,随着薄膜厚度的增加,电极性能会减弱,因为衬底无法进入内部催化活性位点。另外,这种方法的复杂性和高成本极大地阻碍了它的实际应用。所以,对于成功的电化学应用来说,开发具有成本效益的三维(3D)电极制造技术是必要的。

纳米结构材料采用三维镍泡沫材料作为水裂解电催化剂,值得关注


新型三维金属材料的发展具有多孔结构和高比表面积,因其降低离子扩散长度、提高离子和电子电导率的潜力而备受关注。因此,电催化剂设计的一个有前途的方向是结合不同的结构维度,创造一种具有纳米结构的催化剂载体复合材料,提供高导电性、大表面积和高稳定性。镍泡沫塑料(NF)由于其理想的三维开孔结构、高电导率和较大的比表面积,已广泛应用于电极材料的基底和载体中,是一种市售且价格低廉的材料。微孔和锯齿状流动通道在NFS中也提供了良好的质量传输和单位面积大。锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、水分裂等各种基板,包括不同的金属泡沫、网状、金属箔和织物,已被探索为电化学应用的集电器。特别是多孔NF因其成本低、导电性强、电活性表面积大而备受关注,是加载催化剂、增加电化学活性位点的理想选择。另外,多孔NF在提高电解质质量传递方面具有优势,使其成为能源应用中高表面积集流器的合适候选材料。镍泡沫中活性材料的直接生长也增强了催化剂-衬底的接触,从而在水裂解反应中有效地进行电子传递。
虽然超级电容器和电池电极仍然是NF的主要应用,但最近的研究表明,沉积在这种材料上的电极材料比镍箔和网络具有优越的OER活性。这些材料不仅可以以自然的形式使用,还可以用活性材料装饰。泡沫可以用作集电器和支撑基体。因此,一种丰富的纳米结构催化材料生长在NF的基础上,为开发用于能量储存/转换设备的先进电极材料带来了希望。虽然地球电催化剂直接生长在泡沫镍上很常见,但它是用于OER和HER的泡沫镍

纳米结构材料采用三维镍泡沫材料作为水裂解电催化剂,值得关注

镍泡已被确定为纳米材料的最佳三维衬底,具有明确的多孔结构。各种纳米结构,包括纳米颗粒、纳米片、薄膜、纳米阵列、纳米棒、分层结构和复合材料,已成功直接生长在镍泡沫衬底电极上。这些纳米材料具有析氧反应(OER)和析氢反应(HER)表现出良好的效率,并且可以作为贵金属基催化剂的可行替代品,既昂贵又稀缺。富土催化剂对于泡沫镍最显著的优点是它们可以作为双功能催化剂使用。铁、镍、钴、钼等各种过渡金属基硫化物、磷化物和氮化物已被研究用于纳米结构的制造、成分优化和性能提升。为进一步提高催化性能,这些过渡金属基催化剂的结构和组成多样性具有重要潜力。然而,对特定催化性能潜在机制的全面了解仍处于起步阶段。所以,细化理论预测,探索新的结构图案和构图,无疑将有利于这一新兴领域,促进镍泡沫基水裂解的广泛应用。
虽然是基于纳米纤维(NF)基础水分裂电极材料的开发取得了重大进展,但在该技术得到实际应用之前,仍存在一些挑战。主要障碍包括直接生长的纳米材料的多样性有限,以及酸性介质中NF衬底和镍基纳米结构的不稳定性。为了克服这些挑战,有必要开发耐酸的3DNF基电极,如NF的石墨烯复制品,并制造具有电催化活性和耐酸性的材料相位,这些材料以前是无法获得的。此外,缺乏高活性和高效的氢分析反应(HER)电催化剂是必须解决的主要障碍。因此,开发可以同时催化HER和氧化反应。(OER)高效双功能催化剂是清洁和可再生能源技术的理想选择。NF上的水热辅助生长几乎是所有材料中最合适的方法,因为它可以制备各种层次的催化剂。然而,水热法的主要缺点是缺乏对NF底部生长的催化剂数量的控制。

纳米结构材料采用三维镍泡沫材料作为水裂解电催化剂,值得关注

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