行業(yè)動(dòng)態(tài)

化石燃料的枯竭以及對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，促使人們對(duì)開(kāi)發(fā)替代能源進(jìn)行了廣泛的研究努力。電化學(xué)電解水被認(rèn)為是一種很有前途的氫燃料生產(chǎn)策略。然而，高效的水裂解需要高效和持久的電催化劑，可以加速析氧反應(yīng)（OER）和析氫反應(yīng)（HER）的動(dòng)力學(xué)。高貴的含金屬催化劑，如Pt及其合金、RuO2和IrO2，是目前最有效的催化OER和HER的催化劑。然而，貴金屬的高成本和稀缺阻礙了其的大規(guī)模應(yīng)用和可再生能源技術(shù)的發(fā)展。為了克服這些限制，人們付出了大量的努力來(lái)設(shè)計(jì)和合成非貴金屬電催化劑，使用地球豐富的材料作為OER和OERHER的經(jīng)濟(jì)替代品。過(guò)渡金屬氧化物、硫化物、磷化物、碳材料、硒化物和混合金屬配合物已被廣泛研究，并對(duì)OER和HER具有良好的性能。然而，大多數(shù)這些電催化劑需要比貴金屬基催化劑更高的過(guò)電位，提高其穩(wěn)定性仍然至關(guān)重要。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種低成本、高效的、具有高活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的替代電極結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的水分裂。

在電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，兩種主要的策略被用于制備電極。第一種也是最廣泛使用的技術(shù)涉及使用粉末狀形式的催化劑。通常，電極是通過(guò)利用電活性材料的漿料、電導(dǎo)率增強(qiáng)劑和導(dǎo)電基板上的粘合劑來(lái)構(gòu)成的。然而，這種方法并非沒(méi)有缺點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是要求電絕緣粘合劑，它可以減少電解質(zhì)和催化劑之間的接觸面積。這可能導(dǎo)致催化活性位點(diǎn)的阻斷，導(dǎo)致高電阻和降低電催化性能。此外，電極的穩(wěn)定性相對(duì)較差，因?yàn)楦街拇呋瘎┩诟唠娏髅芏认聲?huì)從導(dǎo)電基板上剝離。電極制備的第二個(gè)主要策略是使用貴金屬基材料，這些材料直接電沉積在導(dǎo)電基板上，如泡沫鎳、銅箔、碳布或紙、FTO、不銹鋼和鎳箔。然而，這種方法并非沒(méi)有其局限性。很難精確地控制沉積的活性材料之間的可達(dá)空間，因此，由于襯底無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部的催化活性位點(diǎn)，電極性能隨著薄膜厚度的增加而減弱。此外，該方法的復(fù)雜性和高成本極大地阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有成本效益的三維（3D）電極的制造技術(shù)對(duì)于成功的電化學(xué)應(yīng)用是必要的。

具有多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的新型三維金屬材料的發(fā)展，由于其降低離子擴(kuò)散長(zhǎng)度和提高離子和電子電導(dǎo)率的潛力而引起了人們的極大關(guān)注。因此，電催化劑設(shè)計(jì)的一個(gè)很有前途的方向是結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)維度，以創(chuàng)建一個(gè)納米結(jié)構(gòu)的催化劑載體復(fù)合材料，提供高導(dǎo)電率、大表面積和高穩(wěn)定性。鎳泡沫塑料（NF）是一種市售且廉價(jià)的材料，由于其理想的三維開(kāi)孔結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率和較大的比表面積，已被廣泛應(yīng)用于電極材料的基底和載體。NFs內(nèi)的微孔和鋸齒狀流動(dòng)通道也提供了良好的質(zhì)量傳輸和單位面積的大表面積。各種基板，包括不同的金屬泡沫、網(wǎng)狀、金屬箔和織物，已被探索為電化學(xué)應(yīng)用的集電器，如鋰離子電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池和水分裂。特別是多孔NF，由于其低成本、導(dǎo)電性和大的電活性表面積而受到關(guān)注，這是裝載催化劑和增加電化學(xué)活性位點(diǎn)的理想選擇。此外，多孔NF在增強(qiáng)電解質(zhì)的質(zhì)量傳輸方面具有優(yōu)勢(shì)，使其成為能源應(yīng)用中高表面積集流器的合適候選材料?；钚圆牧显阪嚺菽系闹苯由L(zhǎng)也增強(qiáng)了催化劑-襯底的接觸，從而在水裂解反應(yīng)中有效的電子傳遞。雖然超級(jí)電容器和電池電極仍然是NF的主要應(yīng)用，但最近的研究表明，沉積在這種材料上的電極材料比鎳箔和網(wǎng)具有優(yōu)越的OER活性。這些材料既可以以其天然的形式來(lái)應(yīng)用，也可以用活性材料來(lái)裝飾，泡沫既可以作為集電器和支撐基體。因此，在NF襯底上生長(zhǎng)一種納米結(jié)構(gòu)的地球豐富的催化材料為開(kāi)發(fā)用于能量存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換器件的先進(jìn)電極材料帶來(lái)了希望。盡管直接在泡沫鎳上生長(zhǎng)的地球電催化劑普遍存在，但用于OER和HER的泡沫鎳上的三維電極尚未得到廣泛的研究，盡管它們多孔分層結(jié)構(gòu)，成本低，易于制造。本文綜述了用于電解水分離的三維鎳泡沫襯底制備納米結(jié)構(gòu)材料的最新進(jìn)展，以及三維NF基納米催化劑的局限性和前景。

鎳泡沫已被確定為生長(zhǎng)具有明確多孔結(jié)構(gòu)的納米材料的最佳三維襯底。多種納米結(jié)構(gòu)，包括納米顆粒、納米片、薄膜、納米陣列、納米棒、分層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料，已經(jīng)成功地直接在鎳泡沫物襯底電極上生長(zhǎng)。這些納米材料在析氧反應(yīng)（OER）和析氫反應(yīng)（HER）方面表現(xiàn)出了良好的效率，并可能作為貴金屬基催化劑既昂貴又稀缺的可行替代品。富土催化劑對(duì)泡沫鎳最顯著的優(yōu)點(diǎn)是它們能夠作為雙功能催化劑。各種過(guò)渡金屬基硫化物、磷化物和氮化物，如鐵、鎳、鈷和鉬，已被研究用于納米結(jié)構(gòu)的制造、成分優(yōu)化和性能增強(qiáng)。這些過(guò)渡金屬基催化劑的結(jié)構(gòu)和組成多樣性為進(jìn)一步提高催化性能提供了重要的潛力。然而，對(duì)特定催化性能的潛在機(jī)制的全面了解仍處于起步階段。因此，理論預(yù)測(cè)的細(xì)化和新的結(jié)構(gòu)圖案和組成的探索無(wú)疑將有利于這一新興領(lǐng)域，促進(jìn)鎳泡沫基水裂解的廣泛應(yīng)用。

盡管基于納米纖維（NF）基的水分裂電極材料的開(kāi)發(fā)取得了重大進(jìn)展，但在該技術(shù)能夠被實(shí)際應(yīng)用之前，仍存在一些挑戰(zhàn)。主要的障礙包括直接生長(zhǎng)的納米材料的多樣性有限，以及NF襯底和鎳基納米結(jié)構(gòu)在酸性介質(zhì)中的不穩(wěn)定性。為了克服這些挑戰(zhàn)，有必要開(kāi)發(fā)耐酸的3D NF基電極，如NF的石墨烯復(fù)制品，并制造以前無(wú)法獲得的具有電催化活性和耐酸性的材料相。此外，缺乏高活性和高效的析氫反應(yīng)（HER）電催化劑是必須解決的一個(gè)主要障礙。因此，開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)催化HER和氧演化反應(yīng)（OER）的高效雙功能催化劑是清潔和可再生能源技術(shù)的非常理想的選擇。在NF上的水熱輔助生長(zhǎng)是幾乎所有材料最合適的方法，因?yàn)樗軌蛑苽渚哂懈鞣N層次性質(zhì)的催化劑。然而，水熱法的主要缺點(diǎn)是缺乏對(duì)在NF底物上生長(zhǎng)的催化劑數(shù)量的控制。

內(nèi)容來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考學(xué)習(xí)。