Nýting nanóuppbyggðra efna á þrívíð nikkel froðuefni sem rafhvatar fyrir vatnssprungur

Eyðing jarðefnaeldsneytis og vaxandi áhyggjur af orku- og umhverfismálum hafa leitt til umfangsmikillar rannsóknaraðgerða til að þróa aðra orkugjafa.Rafefnafræðileg rafgreiningaf vatni þykir vænleg stefna í framleiðslu vetniseldsneytis. Hins vegar þarf skilvirk vatnssprunga skilvirka og endingargóða rafhvata sem geta flýtt fyrir hreyfihvörfum súrefnisútdráttarhvarfsins (OER) og vetnisútdráttarhvarfsins (HER). Hvatar sem innihalda eðalmálm, eins og Pt og málmblöndur þess, RuO2 og IrO2, eru eins og er skilvirkustu hvatarnir til að hvata OER og HER. Hins vegar hefur hár kostnaður og skortur á eðalmálmum hindrað stórfellda notkun þeirra og þróun endurnýjanlegrar orkutækni. Til að sigrast á þessum takmörkunum hefur talsverð viðleitni verið lögð í að hanna og búa til rafhvata sem ekki eru góðmálmi með því að nota jarðefnamikil efni sem hagkvæman valkost við OER og OERHER. Umbreytingarmálmaoxíð, súlfíð, fosfíð, kolefnisefni, seleníð og málmblöndur hafa verið rannsökuð mikið og hafa sýnt vænlega frammistöðu fyrir OER og HER. Hins vegar þurfa flestir þessara rafhvata hærri ofvirkni en hvatar sem byggjast á eðalmálmi og það er enn mikilvægt að bæta stöðugleika þeirra. Þess vegna er brýn þörf á að þróa ódýra og skilvirka aðra rafskautabyggingu með mikilli virkni og langtímastöðugleika fyrir skilvirka vatnsskiptingu.

Á sviði rafefnafræðilegra nota, tvær meginaðferðir hafa verið notaðar til að undirbúa rafskaut. Fyrsta og mest notaða tæknin felur í sér notkun hvata í duftformi. Venjulega eru rafskaut smíðuð með því að nota slurry af rafvirkum efnum, leiðniaukandi efni og lím á leiðandi hvarfefni. Hins vegar er þessi aðferð ekki án galla. Helsti ókosturinn er krafan um rafeinangrandi bindiefni sem minnkar snertiflöt milli raflausnar og hvata. Þetta getur leitt til blokkunar á hvarfavirkum stöðum, sem leiðir til mikillar viðnáms og minni rafhvatavirkni. Að auki eru rafskautin tiltölulega óstöðug þar sem áfastur hvati hefur tilhneigingu til að losna af leiðandi undirlaginu við mikinn straumþéttleika. Önnur meginstefnan við rafskautsgerð er notkun á efnum sem byggjast á eðalmálmi sem eru sett beint á leiðandi undirlagið, svo sem nikkelfroðu, koparþynnu, kolefnisdúk eða pappír, FTO, ryðfríu stáli og nikkelþynnu. Hins vegar er þessi aðferð ekki án takmarkana. Erfitt er að stjórna nákvæmlega aðgengilegu rýminu á milli virku efnanna sem sett hafa verið út og því minnkar rafskautsframmistaðan með vaxandi filmuþykkt vegna þess að undirlagið er óaðgengilegt að hvarfvirku stöðum inni. Að auki hindrar flókið og hár kostnaður við aðferðina mjög hagnýtingu hennar. Þess vegna er þróun hagkvæmrar framleiðslutækni fyrirþrívíddar (3D) rafskauter nauðsynlegt fyrir árangursríka rafefnafræðilega notkun.

Þróun nýrra þrívíddar málmefna með gljúpum byggingum og háum sértækum yfirborðsflötum hefur vakið töluverða athygli vegna möguleika þeirra til að draga úr lengd jónadreifingar og auka jóna- og rafleiðni. Þess vegna er efnileg stefna fyrir rafhvatahönnun að sameina mismunandi byggingarstærðir í því skyni að búa til nanóskipulagt samsett af hvataberum sem veita mikla leiðni, stórt yfirborð og mikinn stöðugleika.Nikkel froða(NF), sem er fáanlegt og ódýrt efni, hefur verið mikið notað sem hvarfefni og burðarefni fyrir rafskautsefni vegna æskilegrar þrívíddar opinnar holuuppbyggingar, mikillar rafleiðni og stórs tiltekins yfirborðs. rásir innan NFs veita einnig góðan massaflutning og stórt yfirborð á hverja flatarmálseiningu. Ýmis undirlag, þar á meðal mismunandi málmfroðu, möskva, þynna og dúkur, hafa verið kannaðar sem safnarar fyrir rafefnafræðilega notkun eins og litíumjónarafhlöður, ofurþétta, sólarsellur og vatnsskiptingu. Einkum hafa porous NFs vakið athygli vegna lágs kostnaðar, rafleiðni og stórs rafvirks yfirborðs, sem er tilvalið til að hlaða hvata og auka rafefnafræðilega virka staði. Þar að auki hafa porous NFs kosti við að auka massaflutning raflausna, sem gerir þau að hæfilegum frambjóðendum fyrir straumsafnara með mikla yfirborðsflatarmál í orkunotkun. Beinn vöxtur virkra efna á nikkelfroðu eykur einnig snertingu hvarfefnis og hvarfefnis fyrir skilvirkan rafeindaflutning í sprunguhvörfum í vatni. Þó ofurþétti og rafhlöður rafskaut séu áfram aðalnotkunin fyrir NFs, hafa nýlegar rannsóknir sýnt að rafskautsefni sem sett eru á þetta efni hafa betri OER virkni en Ni þynnur og net. Hægt er að bera þessi efni á annað hvort í náttúrulegu formi eða skreyta með virkum efnum og froðuna er hægt að nota bæði sem safnara og undirlag. Þannig lofar vöxtur nanóuppbyggðs, jarðríks hvataefnis á NF hvarfefni fyrir þróun háþróaðra rafskautaefna fyrir orkugeymslu-/umbreytingartæki. Þótt jarðríkir rafhvatar sem ræktaðir eru beint á nikkelfroðu séu almennt fáanlegir, hafa þrívíddar rafskaut á nikkelfroðu fyrir OERs og HERs ekki verið rannsökuð ítarlega, þó þau séu gljúp stigveldisbygging sem er ódýr og auðvelt að búa til.