Utilisation de matériaux nanostructurés sur des matériaux en mousse de nickel tridimensionnels comme électrocatalyseurs pour le craquage à l'eau

L’épuisement des combustibles fossiles et les préoccupations croissantes concernant les questions énergétiques et environnementales ont conduit à des efforts de recherche considérables pour développer des sources d’énergie alternatives.Électrolyse électrochimiqueL'extraction de l'eau est considérée comme une stratégie prometteuse pour la production d'hydrogène combustible. Cependant, un craquage à l'eau efficace nécessite des électrocatalyseurs performants et durables, capables d'accélérer la cinétique des réactions d'extraction de l'oxygène (OER) et de l'hydrogène (HER). NobleMétalLes catalyseurs contenant du platine, tels que le platine et ses alliages, RuO2 et IrO2, sont actuellement les catalyseurs les plus efficaces pour catalyser les REL et les REL. Cependant, le coût élevé et la rareté des métaux nobles ont freiné leur application à grande échelle et le développement des technologies d'énergie renouvelable. Pour surmonter ces limitations, des efforts considérables ont été déployés pour concevoir et synthétiser des électrocatalyseurs à base de métaux non précieux utilisant des matériaux abondants sur terre comme alternatives économiques aux REL et aux REL. Les oxydes de métaux de transition, les sulfures, les phosphures, les matériaux carbonés, les séléniures et les complexes métalliques mixtes ont été largement étudiés et ont montré des performances prometteuses pour les REL et les REL. Cependant, la plupart de ces électrocatalyseurs nécessitent des surtensions plus élevées que les catalyseurs à base de métaux nobles, et l'amélioration de leur stabilité reste cruciale. Par conséquent, il est urgent de développer une structure d'électrode alternative économique et efficace, présentant une activité élevée et une stabilité à long terme pour une séparation efficace de l'eau.

Dans le domaine des applications électrochimiquesDeux stratégies principales ont été utilisées pour préparer les électrodes. La première, la plus répandue, consiste à utiliser des catalyseurs en poudre. Généralement, les électrodes sont fabriquées à partir de suspensions de matériaux électroactifs, d'agents améliorant la conductivité et d'adhésifs appliqués sur des substrats conducteurs. Cependant, cette approche présente des inconvénients. Le principal inconvénient est la nécessité d'un liant électriquement isolant, qui réduit la surface de contact entre l'électrolyte et le catalyseur. Cela peut entraîner le blocage des sites catalytiques actifs, entraînant une résistance élevée et une diminution des performances électrocatalytiques. De plus, les électrodes sont relativement instables, le catalyseur fixé ayant tendance à se décoller du substrat conducteur à des densités de courant élevées. La deuxième stratégie principale pour la préparation des électrodes consiste à utiliser des matériaux à base de métaux nobles, comme le nickel, déposés directement sur le substrat conducteur.Mousse, feuille de cuivre, tissu ou papier de carbone, FTO, acier inoxydable et feuille de nickel. Cependant, cette approche n'est pas sans limites. Il est difficile de contrôler précisément l'espace accessible entre les matériaux actifs déposés et, par conséquent, les performances de l'électrode diminuent avec l'épaisseur du film, en raison de l'inaccessibilité du substrat aux sites catalytiquement actifs à l'intérieur. De plus, la complexité et le coût élevé de la méthode entravent considérablement son application pratique. Par conséquent, le développement de techniques de fabrication rentables pourélectrodes tridimensionnelles (3D)est nécessaire pour des applications électrochimiques réussies.

Le développement de nouveaux matériaux métalliques tridimensionnels à structure poreuse et à surface spécifique élevée a suscité un intérêt considérable en raison de leur potentiel à réduire la longueur de diffusion des ions et à augmenter la conductivité ionique et électronique. Par conséquent, une voie prometteuse pour la conception d'électrocatalyseurs consiste à combiner différentes dimensions structurelles afin de créer un composite nanostructuré de supports de catalyseur offrant une conductivité élevée, une grande surface spécifique et une grande stabilité.Mousse de nickelLe (NF), un matériau commercial et peu coûteux, est largement utilisé comme substrat et support pour les matériaux d'électrodes en raison de sa structure tridimensionnelle à pores ouverts, de sa conductivité électrique élevée et de sa grande surface spécifique. Les micropores et les canaux d'écoulement irréguliers des NF assurent également un bon transfert de masse et une grande surface spécifique. Différents substrats, notamment des mousses métalliques, des treillis, des feuilles et des tissus, ont été explorés comme collecteurs pour des applications électrochimiques telles que les batteries lithium-ion, les supercondensateurs, les cellules solaires et la séparation de l'eau. Les NF poreux, en particulier, ont attiré l'attention en raison de leur faible coût, de leur conductivité électrique et de leur grande surface électroactive, idéale pour charger des catalyseurs et augmenter le nombre de sites actifs électrochimiques. De plus, les NF poreux présentent l'avantage d'améliorer le transport de masse des électrolytes, ce qui en fait des candidats idéaux pour les collecteurs de courant à grande surface dans les applications énergétiques. La croissance directe de matériaux actifs sur mousse de nickel améliore également le contact catalyseur-substrat pour un transfert d'électrons efficace dans les réactions de craquage de l'eau. Bien que les électrodes de supercondensateurs et de batteries restent les principales applications des NF, des études récentes ont montré que les matériaux d'électrode déposés sur ces matériaux présentent une activité OER supérieure à celle des feuilles et filets de nickel. Ces matériaux peuvent être appliqués tels quels ou décorés de matériaux actifs, et les mousses peuvent servir à la fois de collecteurs et de substrats de support. Ainsi, la croissance d'un matériau catalytique nanostructuré riche en terres sur des substrats NF est prometteuse pour le développement de matériaux d'électrode avancés pour les dispositifs de stockage/conversion d'énergie. Bien que les électrocatalyseurs riches en terres cultivés directement sur de la mousse de nickel soient couramment disponibles, les électrodes tridimensionnelles sur mousse de nickel pour les OER et les HER n'ont pas été étudiées de manière approfondie, bien qu'il s'agisse de structures hiérarchiques poreuses, peu coûteuses et faciles à fabriquer.