Utilização de materiais nanoestruturados em materiais de espuma de níquel tridimensionais como eletrocatalisadores para craqueamento de água

O esgotamento dos combustíveis fósseis e as crescentes preocupações com questões energéticas e ambientais levaram a amplos esforços de pesquisa para desenvolver fontes alternativas de energia.Eletrólise eletroquímicade água é considerada uma estratégia promissora para a produção de combustível de hidrogênio. No entanto, o craqueamento eficiente da água requer eletrocatalisadores eficientes e duráveis ​​que possam acelerar a cinética da reação de extração de oxigênio (REA) e da reação de extração de hidrogênio (HER). NobleMetalCatalisadores contendo óxido de zircônio, como Pt e suas ligas, RuO2 e IrO2, são atualmente os catalisadores mais eficientes para catalisar OER e HER. No entanto, o alto custo e a escassez de metais nobres têm dificultado sua aplicação em larga escala e o desenvolvimento de tecnologias de energia renovável. Para superar essas limitações, esforços consideráveis ​​têm sido feitos para projetar e sintetizar eletrocatalisadores de metais não preciosos usando materiais abundantes em terra como alternativas econômicas para OER e OERHER. Óxidos de metais de transição, sulfetos, fosfetos, materiais de carbono, selenetos e complexos de metais mistos têm sido extensivamente estudados e têm mostrado desempenho promissor para OER e HER. No entanto, a maioria desses eletrocatalisadores requer sobrepotenciais mais altos do que catalisadores à base de metais nobres, e melhorar sua estabilidade continua sendo crucial. Portanto, há uma necessidade urgente de desenvolver uma estrutura de eletrodo alternativa eficiente e de baixo custo com alta atividade e estabilidade de longo prazo para uma separação eficiente da água.

No campo de aplicações eletroquímicasDuas estratégias principais têm sido utilizadas para preparar eletrodos. A primeira e mais amplamente utilizada técnica envolve o uso de catalisadores em pó. Tipicamente, os eletrodos são construídos utilizando suspensões de materiais eletroativos, intensificadores de condutividade e adesivos em substratos condutores. No entanto, essa abordagem apresenta desvantagens. A principal desvantagem é a necessidade de um ligante eletricamente isolante, o que reduz a área de contato entre o eletrólito e o catalisador. Isso pode levar ao bloqueio dos sítios cataliticamente ativos, resultando em alta resistência e desempenho eletrocatalítico reduzido. Além disso, os eletrodos são relativamente instáveis, pois o catalisador aderido tende a se desprender do substrato condutor em altas densidades de corrente. A segunda estratégia principal para a preparação de eletrodos é o uso de materiais à base de metais nobres que são eletrodepositados diretamente sobre o substrato condutor, como níquel.Espuma, folha de cobre, tecido ou papel de carbono, FTO, aço inoxidável e folha de níquel. No entanto, esta abordagem tem suas limitações. É difícil controlar com precisão o espaço acessível entre os materiais ativos depositados e, portanto, o desempenho do eletrodo diminui com o aumento da espessura do filme devido à inacessibilidade do substrato aos sítios cataliticamente ativos em seu interior. Além disso, a complexidade e o alto custo do método dificultam significativamente sua aplicação prática. Portanto, o desenvolvimento de técnicas de fabricação econômicas paraeletrodos tridimensionais (3D)é necessário para aplicações eletroquímicas bem-sucedidas.

O desenvolvimento de novos materiais metálicos tridimensionais com estruturas porosas e altas áreas superficiais específicas tem atraído considerável atenção devido ao seu potencial para reduzir o comprimento de difusão iônica e aumentar a condutividade iônica e eletrônica. Portanto, uma direção promissora para o projeto de eletrocatalisadores é combinar diferentes dimensões estruturais para criar um compósito nanoestruturado de portadores de catalisador que proporcione alta condutividade, grande área superficial e alta estabilidade.Espuma de níquel(NF), um material comercialmente disponível e barato, tem sido amplamente utilizado como substrato e suporte para materiais de eletrodos devido à sua desejável estrutura tridimensional de poros abertos, alta condutividade elétrica e grande área de superfície específica. Os microporos e canais de fluxo irregulares dentro dos NFs também fornecem boa transferência de massa e grande área de superfície por unidade de área. Vários substratos, incluindo diferentes espumas metálicas, malhas, folhas e tecidos, têm sido explorados como coletores para aplicações eletroquímicas, como baterias de íons de lítio, supercapacitores, células solares e separação de água. Em particular, os NFs porosos têm atraído a atenção devido ao seu baixo custo, condutividade elétrica e grande área de superfície eletroativa, o que é ideal para carregar catalisadores e aumentar os sítios ativos eletroquímicos. Além disso, os NFs porosos têm vantagens em melhorar o transporte de massa de eletrólitos, tornando-os candidatos adequados para coletores de corrente de alta área de superfície em aplicações de energia. O crescimento direto de materiais ativos em espuma de níquel também melhora o contato catalisador-substrato para transferência eficiente de elétrons em reações de craqueamento de água. Embora eletrodos de supercapacitores e baterias continuem sendo as principais aplicações para NFs, estudos recentes demonstraram que materiais de eletrodo depositados sobre esse material apresentam atividade OER superior à de folhas e redes de Ni. Esses materiais podem ser aplicados em sua forma natural ou decorados com materiais ativos, e as espumas podem ser usadas tanto como coletores quanto como substratos de suporte. Assim, o crescimento de um material catalítico nanoestruturado e rico em terra em substratos de NF é promissor para o desenvolvimento de materiais de eletrodo avançados para dispositivos de armazenamento/conversão de energia. Embora eletrocatalisadores ricos em terra cultivados diretamente em espuma de níquel estejam comumente disponíveis, eletrodos tridimensionais em espuma de níquel para OERs e HERs não foram extensivamente investigados, embora sejam estruturas hierárquicas porosas, de baixo custo e fáceis de fabricar.