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利用三维镍泡沫材料上的纳米结构材料作为水裂解的电催化剂是一个值得关注的课题

时间:2023-11-21   访问量:1097


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化石燃料的枯竭以及对能源和环境问题的日益关注,促使人们对开发替代能源进行了广泛的研究努力。电化学电解水被认为是一种很有前途的氢燃料生产策略。然而,高效的水裂解需要高效和持久的电催化剂,可以加速析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的动力学。高贵的含金属催化剂,如Pt及其合金、RuO2和IrO2,是目前最有效的催化OER和HER的催化剂。然而,贵金属的高成本和稀缺阻碍了其的大规模应用和可再生能源技术的发展。为了克服这些限制,人们付出了大量的努力来设计和合成非贵金属电催化剂,使用地球丰富的材料作为OER和OERHER的经济替代品。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已被广泛研究,并对OER和HER具有良好的性能。然而,大多数这些电催化剂需要比贵金属基催化剂更高的过电位,提高其稳定性仍然至关重要。因此,迫切需要开发一种低成本、高效的、具有高活性和长期稳定性的替代电极结构来实现高效的水分裂。

在电化学应用领域,两种主要的策略被用于制备电极。第一种也是最广泛使用的技术涉及使用粉末状形式的催化剂。通常,电极是通过利用电活性材料的浆料、电导率增强剂和导电基板上的粘合剂来构成的。然而,这种方法并非没有缺点。主要缺点是要求电绝缘粘合剂,它可以减少电解质和催化剂之间的接触面积。这可能导致催化活性位点的阻断,导致高电阻和降低电催化性能。此外,电极的稳定性相对较差,因为附着的催化剂往往在高电流密度下会从导电基板上剥离。电极制备的第二个主要策略是使用贵金属基材料,这些材料直接电沉积在导电基板上,如泡沫镍、铜箔、碳布或纸、FTO、不锈钢和镍箔。然而,这种方法并非没有其局限性。很难精确地控制沉积的活性材料之间的可达空间,因此,由于衬底无法进入内部的催化活性位点,电极性能随着薄膜厚度的增加而减弱。此外,该方法的复杂性和高成本极大地阻碍了其实际应用。因此,开发具有成本效益的三维(3D)电极的制造技术对于成功的电化学应用是必要的。

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具有多孔结构和高比表面积的新型三维金属材料的发展,由于其降低离子扩散长度和提高离子和电子电导率的潜力而引起了人们的极大关注。因此,电催化剂设计的一个很有前途的方向是结合不同的结构维度,以创建一个纳米结构的催化剂载体复合材料,提供高导电率、大表面积和高稳定性。镍泡沫塑料(NF)是一种市售且廉价的材料,由于其理想的三维开孔结构、高电导率和较大的比表面积,已被广泛应用于电极材料的基底和载体。NFs内的微孔和锯齿状流动通道也提供了良好的质量传输和单位面积的大表面积。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,如锂离子电池、超级电容器、太阳能电池和水分裂。特别是多孔NF,由于其低成本、导电性和大的电活性表面积而受到关注,这是装载催化剂和增加电化学活性位点的理想选择。此外,多孔NF在增强电解质的质量传输方面具有优势,使其成为能源应用中高表面积集流器的合适候选材料。活性材料在镍泡沫上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的电子传递。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具有优越的OER活性。这些材料既可以以其天然的形式来应用,也可以用活性材料来装饰,泡沫既可以作为集电器和支撑基体。因此,在NF衬底上生长一种纳米结构的地球丰富的催化材料为开发用于能量存储/转换器件的先进电极材料带来了希望。尽管直接在泡沫镍上生长的地球电催化剂普遍存在,但用于OER和HER的泡沫镍上的三维电极尚未得到广泛的研究,尽管它们多孔分层结构,成本低,易于制造。本文综述了用于电解水分离的三维镍泡沫衬底制备纳米结构材料的最新进展,以及三维NF基纳米催化剂的局限性和前景。

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镍泡沫已被确定为生长具有明确多孔结构的纳米材料的最佳三维衬底。多种纳米结构,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,已经成功地直接在镍泡沫物衬底电极上生长。这些纳米材料在析氧反应(OER)和析氢反应(HER)方面表现出了良好的效率,并可能作为贵金属基催化剂既昂贵又稀缺的可行替代品。富土催化剂对泡沫镍最显著的优点是它们能够作为双功能催化剂。各种过渡金属基硫化物、磷化物和氮化物,如铁、镍、钴和钼,已被研究用于纳米结构的制造、成分优化和性能增强。这些过渡金属基催化剂的结构和组成多样性为进一步提高催化性能提供了重要的潜力。然而,对特定催化性能的潜在机制的全面了解仍处于起步阶段。因此,理论预测的细化和新的结构图案和组成的探索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。

尽管基于纳米纤维(NF)基的水分裂电极材料的开发取得了重大进展,但在该技术能够被实际应用之前,仍存在一些挑战。主要的障碍包括直接生长的纳米材料的多样性有限,以及NF衬底和镍基纳米结构在酸性介质中的不稳定性。为了克服这些挑战,有必要开发耐酸的3D NF基电极,如NF的石墨烯复制品,并制造以前无法获得的具有电催化活性和耐酸性的材料相。此外,缺乏高活性和高效的析氢反应(HER)电催化剂是必须解决的一个主要障碍。因此,开发能够同时催化HER和氧演化反应(OER)的高效双功能催化剂是清洁和可再生能源技术的非常理想的选择。在NF上的水热辅助生长是几乎所有材料最合适的方法,因为它能够制备具有各种层次性质的催化剂。然而,水热法的主要缺点是缺乏对在NF底物上生长的催化剂数量的控制。

 

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