Utilización de materiales nanoestructurados en materiales de espuma de níquel tridimensionales como electrocatalizadores para el craqueo por agua

El agotamiento de los combustibles fósiles y las crecientes preocupaciones sobre cuestiones energéticas y ambientales han llevado a realizar amplios esfuerzos de investigación para desarrollar fuentes de energía alternativas.Electrólisis electroquímicaEl craqueo de agua se considera una estrategia prometedora para la producción de combustible de hidrógeno. Sin embargo, un craqueo de agua eficiente requiere electrocatalizadores eficientes y duraderos que puedan acelerar la cinética de las reacciones de extracción de oxígeno (REA) y de extracción de hidrógeno (REH). NobleMetalLos catalizadores que contienen metales preciosos, como el Pt y sus aleaciones, RuO₂ e IrO₂, son actualmente los más eficientes para catalizar OER y HER. Sin embargo, el alto coste y la escasez de metales nobles han dificultado su aplicación a gran escala y el desarrollo de tecnologías de energías renovables. Para superar estas limitaciones, se han realizado considerables esfuerzos para diseñar y sintetizar electrocatalizadores de metales no preciosos utilizando materiales abundantes en la tierra como alternativas económicas a OER y OERHER. Los óxidos de metales de transición, sulfuros, fosfuros, materiales de carbono, seleniuros y complejos de metales mixtos se han estudiado exhaustivamente y han mostrado un rendimiento prometedor para OER y HER. Sin embargo, la mayoría de estos electrocatalizadores requieren sobrepotenciales más altos que los catalizadores basados ​​en metales nobles, y mejorar su estabilidad sigue siendo crucial. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar una estructura de electrodo alternativa de bajo coste y eficiente con alta actividad y estabilidad a largo plazo para una eficiente disociación del agua.

En el campo de las aplicaciones electroquímicasSe han utilizado dos estrategias principales para preparar electrodos. La primera, y la más extendida, consiste en el uso de catalizadores en polvo. Normalmente, los electrodos se construyen utilizando suspensiones de materiales electroactivos, potenciadores de la conductividad y adhesivos sobre sustratos conductores. Sin embargo, este enfoque presenta inconvenientes. La principal desventaja es el requisito de un aglutinante aislante eléctrico, que reduce el área de contacto entre el electrolito y el catalizador. Esto puede provocar el bloqueo de los sitios catalíticamente activos, lo que resulta en una alta resistencia y un menor rendimiento electrocatalítico. Además, los electrodos son relativamente inestables, ya que el catalizador adherido tiende a desprenderse del sustrato conductor a altas densidades de corriente. La segunda estrategia principal para la preparación de electrodos es el uso de materiales a base de metales nobles, como el níquel, que se electrodepositan directamente sobre el sustrato conductor.EspumaLámina de cobre, tela o papel de carbono, FTO, acero inoxidable y lámina de níquel. Sin embargo, este enfoque tiene sus limitaciones. Es difícil controlar con precisión el espacio accesible entre los materiales activos depositados y, por lo tanto, el rendimiento del electrodo disminuye al aumentar el espesor de la película debido a la inaccesibilidad del sustrato a los sitios catalíticamente activos en su interior. Además, la complejidad y el alto costo del método dificultan considerablemente su aplicación práctica. Por lo tanto, el desarrollo de técnicas de fabricación rentables paraelectrodos tridimensionales (3D)es necesario para aplicaciones electroquímicas exitosas.

El desarrollo de nuevos materiales metálicos tridimensionales con estructuras porosas y elevadas áreas superficiales específicas ha despertado gran interés debido a su potencial para reducir la longitud de difusión iónica y aumentar la conductividad iónica y electrónica. Por lo tanto, una dirección prometedora para el diseño de electrocatalizadores es la combinación de diferentes dimensiones estructurales para crear un compuesto nanoestructurado de portadores de catalizador que proporcione alta conductividad, gran área superficial y alta estabilidad.Espuma de níquelEl NF, un material comercialmente disponible y económico, se ha utilizado ampliamente como sustrato y soporte para materiales de electrodos gracias a su atractiva estructura tridimensional de poro abierto, alta conductividad eléctrica y gran área superficial específica. Los microporos y los canales de flujo dentados dentro de los NF también proporcionan una buena transferencia de masa y una gran área superficial por unidad de área. Se han explorado diversos sustratos, incluyendo diferentes espumas metálicas, mallas, láminas y tejidos, como colectores para aplicaciones electroquímicas como baterías de iones de litio, supercondensadores, células solares y disociación de agua. En particular, los NF porosos han atraído la atención debido a su bajo costo, conductividad eléctrica y gran área superficial electroactiva, ideal para cargar catalizadores y aumentar los sitios activos electroquímicos. Además, los NF porosos ofrecen ventajas para mejorar el transporte de masa de electrolitos, lo que los convierte en candidatos ideales para colectores de corriente de gran área superficial en aplicaciones energéticas. El crecimiento directo de materiales activos sobre espuma de níquel también mejora el contacto catalizador-sustrato para una transferencia de electrones eficiente en reacciones de craqueo de agua. Aunque los electrodos para supercondensadores y baterías siguen siendo las principales aplicaciones de las nanoestructuras, estudios recientes han demostrado que los materiales depositados sobre este material presentan una actividad OER superior a la de las láminas y redes de níquel. Estos materiales pueden aplicarse en su forma natural o decorados con materiales activos, y las espumas pueden utilizarse como colectores y sustratos de soporte. Por lo tanto, el crecimiento de un material catalítico nanoestructurado rico en tierra sobre sustratos de nanoestructuras es prometedor para el desarrollo de materiales de electrodos avanzados para dispositivos de almacenamiento y conversión de energía. Si bien los electrocatalizadores ricos en tierra cultivados directamente sobre espuma de níquel son comunes, los electrodos tridimensionales sobre espuma de níquel para OER y HER no se han investigado exhaustivamente, a pesar de que se trata de estructuras jerárquicas porosas de bajo costo y fácil fabricación.