त्रिमितीय निकेल फोम मटेरियलवर नॅनोस्ट्रक्चर्ड मटेरियलचा वापर पाणी क्रॅकिंगसाठी इलेक्ट्रोकॅटलिस्ट म्हणून

जीवाश्म इंधनाचा ऱ्हास आणि ऊर्जा आणि पर्यावरणीय समस्यांबद्दल वाढत्या चिंतेमुळे पर्यायी ऊर्जा स्रोत विकसित करण्यासाठी व्यापक संशोधन प्रयत्न सुरू झाले आहेत.इलेक्ट्रोकेमिकल इलेक्ट्रोलिसिसहायड्रोजन इंधन उत्पादनासाठी पाण्याचे आश्वासक धोरण मानले जाते. तथापि, कार्यक्षम वॉटर क्रॅकिंगसाठी कार्यक्षम आणि टिकाऊ इलेक्ट्रोकॅटलिस्ट्सची आवश्यकता असते जे ऑक्सिजन-एक्स्ट्रॅक्शन रिॲक्शन (OER) आणि हायड्रोजन-एक्सट्रॅक्शन रिॲक्शन (HER) च्या गतीशीलतेला गती देऊ शकतात. नोबल धातू-युक्त उत्प्रेरक, जसे की Pt आणि त्याचे मिश्र धातु, RuO2 आणि IrO2, सध्या OER आणि HER उत्प्रेरक करण्यासाठी सर्वात कार्यक्षम उत्प्रेरक आहेत. तथापि, उदात्त धातूंची उच्च किंमत आणि कमतरता यामुळे त्यांचा मोठ्या प्रमाणात वापर आणि अक्षय ऊर्जा तंत्रज्ञानाच्या विकासात अडथळा निर्माण झाला आहे. या मर्यादांवर मात करण्यासाठी, OER आणि OERHER साठी किफायतशीर पर्याय म्हणून पृथ्वी-विपुल सामग्रीचा वापर करून गैर-मौल्यवान धातू इलेक्ट्रोकॅटलिस्टची रचना आणि संश्लेषण करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण प्रयत्न केले गेले आहेत. ट्रान्झिशन मेटल ऑक्साईड्स, सल्फाइड्स, फॉस्फाईड्स, कार्बन मटेरिअल्स, सेलेनाइड्स आणि मिक्स्ड-मेटल कॉम्प्लेक्सचा विस्तृतपणे अभ्यास केला गेला आहे आणि OER आणि HER साठी आशादायक कामगिरी दर्शविली आहे. तथापि, यापैकी बहुतेक विद्युत उत्प्रेरकांना उदात्त धातू-आधारित उत्प्रेरकांपेक्षा जास्त क्षमता आवश्यक आहे आणि त्यांची स्थिरता सुधारणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. त्यामुळे, कार्यक्षम पाणी विभाजनासाठी उच्च क्रियाकलाप आणि दीर्घकालीन स्थिरतेसह कमी किमतीची आणि कार्यक्षम वैकल्पिक इलेक्ट्रोड संरचना विकसित करण्याची तातडीची गरज आहे.

इलेक्ट्रोकेमिकल ऍप्लिकेशन्सच्या क्षेत्रात, इलेक्ट्रोड तयार करण्यासाठी दोन मुख्य धोरणे वापरली गेली आहेत. प्रथम आणि सर्वात जास्त वापरल्या जाणाऱ्या तंत्रामध्ये उत्प्रेरकांचा चूर्ण स्वरूपात वापर करणे समाविष्ट आहे. सामान्यतः, इलेक्ट्रोड्स इलेक्ट्रोएक्टिव्ह मटेरियल, चालकता वर्धक आणि प्रवाहकीय सब्सट्रेट्सवर चिकटवलेल्या स्लरीजचा वापर करून तयार केले जातात. तथापि, हा दृष्टिकोन कमतरतांशिवाय नाही. मुख्य गैरसोय म्हणजे इलेक्ट्रिकली इन्सुलेटिंग बाईंडरची आवश्यकता, ज्यामुळे इलेक्ट्रोलाइट आणि उत्प्रेरक यांच्यातील संपर्क क्षेत्र कमी होते. यामुळे उत्प्रेरकपणे सक्रिय साइट ब्लॉक होऊ शकतात, परिणामी उच्च प्रतिकार आणि इलेक्ट्रोकॅटॅलिटिक कार्यक्षमता कमी होते. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रोड तुलनेने अस्थिर असतात, कारण संलग्न उत्प्रेरक उच्च प्रवाह घनतेवर प्रवाहकीय सब्सट्रेटमधून सोलून काढतो. इलेक्ट्रोड तयार करण्याची दुसरी मुख्य रणनीती म्हणजे निकेल फोम, तांबे फॉइल, कार्बन कापड किंवा कागद, एफटीओ, स्टेनलेस स्टील आणि निकेल फॉइल यासारख्या प्रवाहकीय सब्सट्रेटवर थेट इलेक्ट्रोड जमा केल्या जाणाऱ्या उत्कृष्ट धातू-आधारित सामग्रीचा वापर करणे. तथापि, हा दृष्टिकोन त्याच्या मर्यादांशिवाय नाही. जमा केलेल्या सक्रिय पदार्थांमधील प्रवेशयोग्य जागा अचूकपणे नियंत्रित करणे कठीण आहे आणि म्हणूनच, उत्प्रेरकदृष्ट्या सक्रिय साइट्सच्या आत असलेल्या सब्सट्रेटच्या दुर्गमतेमुळे इलेक्ट्रोडची कार्यक्षमता वाढत्या फिल्म जाडीसह कमी होते. याव्यतिरिक्त, पद्धतीची जटिलता आणि उच्च किंमत त्याच्या व्यावहारिक अनुप्रयोगास मोठ्या प्रमाणात अडथळा आणते. म्हणून, खर्च-प्रभावी फॅब्रिकेशन तंत्राचा विकासत्रिमितीय (3D) इलेक्ट्रोडयशस्वी इलेक्ट्रोकेमिकल अनुप्रयोगांसाठी आवश्यक आहे.

सच्छिद्र संरचना आणि उच्च विशिष्ट पृष्ठभागाच्या क्षेत्रासह नवीन त्रि-आयामी धातू सामग्रीच्या विकासाने आयन प्रसार लांबी कमी करण्याच्या आणि आयनिक आणि इलेक्ट्रॉनिक चालकता वाढविण्याच्या क्षमतेमुळे लक्षणीय लक्ष वेधले आहे. त्यामुळे, उत्प्रेरक वाहकांचे नॅनोस्ट्रक्चर्ड कंपोझिट तयार करण्यासाठी इलेक्ट्रोकॅटलिस्ट डिझाइनसाठी एक आशादायक दिशा म्हणजे भिन्न संरचनात्मक परिमाण एकत्र करणे जे उच्च चालकता, मोठे पृष्ठभाग क्षेत्र आणि उच्च स्थिरता प्रदान करते.निकेल फोम(NF), एक व्यावसायिकरित्या उपलब्ध आणि स्वस्त सामग्री, इष्ट त्रिमितीय ओपन-पोअर संरचना, उच्च विद्युत चालकता आणि मोठ्या विशिष्ट पृष्ठभागाच्या क्षेत्रामुळे इलेक्ट्रोड सामग्रीसाठी सब्सट्रेट आणि वाहक म्हणून मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. मायक्रोपोरेस आणि दातेरी प्रवाह. NFs मधील चॅनेल देखील चांगले वस्तुमान हस्तांतरण आणि प्रति युनिट क्षेत्रफळ मोठे पृष्ठभाग प्रदान करतात. लिथियम-आयन बॅटरी, सुपरकॅपेसिटर, सोलर सेल आणि वॉटर स्प्लिटिंग यांसारख्या इलेक्ट्रोकेमिकल ऍप्लिकेशन्ससाठी विविध धातूंचे फोम्स, मेशेस, फॉइल आणि फॅब्रिक्ससह विविध सब्सट्रेट्सचा शोध घेण्यात आला आहे. विशेषतः, सच्छिद्र NF ने त्यांच्या कमी किमतीमुळे, विद्युत चालकता आणि मोठ्या इलेक्ट्रोएक्टिव्ह पृष्ठभागाच्या क्षेत्रामुळे लक्ष वेधून घेतले आहे, जे उत्प्रेरक लोड करण्यासाठी आणि इलेक्ट्रोकेमिकल सक्रिय साइट्स वाढवण्यासाठी आदर्श आहे. याव्यतिरिक्त, सच्छिद्र NFs चे इलेक्ट्रोलाइट्सचे मोठ्या प्रमाणात वाहतूक वाढवण्यामध्ये फायदे आहेत, ज्यामुळे ते उर्जा अनुप्रयोगांमध्ये उच्च पृष्ठभागाच्या वर्तमान संग्राहकांसाठी योग्य उमेदवार बनतात. निकेल फोमवर सक्रिय पदार्थांची थेट वाढ पाण्याच्या क्रॅकिंग प्रतिक्रियांमध्ये कार्यक्षम इलेक्ट्रॉन हस्तांतरणासाठी उत्प्रेरक-सबस्ट्रेट संपर्क वाढवते. सुपरकॅपेसिटर आणि बॅटरी इलेक्ट्रोड हे NF साठी मुख्य अनुप्रयोग राहिले असताना, अलीकडील अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की या सामग्रीवर जमा केलेल्या इलेक्ट्रोड सामग्रीमध्ये Ni फॉइल आणि जाळ्यांपेक्षा उत्कृष्ट OER क्रियाकलाप आहे. ही सामग्री एकतर त्यांच्या नैसर्गिक स्वरूपात लागू केली जाऊ शकते किंवा सक्रिय सामग्रीसह सुशोभित केली जाऊ शकते आणि फोम्स कलेक्टर्स आणि सपोर्ट सब्सट्रेट म्हणून दोन्ही वापरले जाऊ शकतात. अशा प्रकारे, NF सब्सट्रेट्सवर नॅनोस्ट्रक्चर्ड, पृथ्वी-समृद्ध उत्प्रेरक सामग्रीची वाढ ऊर्जा साठवण/रूपांतरण उपकरणांसाठी प्रगत इलेक्ट्रोड सामग्रीच्या विकासासाठी वचन देते. जरी निकेल फोमवर थेट उगवलेले पृथ्वी-समृद्ध इलेक्ट्रोकॅटलिस्ट सामान्यतः उपलब्ध असले तरी, OER आणि HER साठी निकेल फोमवरील त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड्सचे विस्तृतपणे परीक्षण केले गेले नाही, जरी ते सच्छिद्र श्रेणीबद्ध संरचना आहेत ज्या कमी किमतीच्या आणि बनविण्यास सुलभ आहेत.