నీటి పగుళ్లకు ఎలక్ట్రోక్యాటలిస్ట్‌లుగా త్రిమితీయ నికెల్ ఫోమ్ పదార్థాలపై నానోస్ట్రక్చర్డ్ పదార్థాల వినియోగం

శిలాజ ఇంధనాల క్షీణత మరియు శక్తి మరియు పర్యావరణ సమస్యల గురించి పెరుగుతున్న ఆందోళనలు ప్రత్యామ్నాయ ఇంధన వనరులను అభివృద్ధి చేయడానికి విస్తృతమైన పరిశోధన ప్రయత్నాలకు దారితీశాయి.ఎలెక్ట్రోకెమికల్ విద్యుద్విశ్లేషణహైడ్రోజన్ ఇంధన ఉత్పత్తికి నీరు ఒక మంచి వ్యూహంగా పరిగణించబడుతుంది. అయినప్పటికీ, సమర్థవంతమైన నీటి పగుళ్లకు ఆక్సిజన్-ఎక్స్‌ట్రాక్షన్ రియాక్షన్ (OER) మరియు హైడ్రోజన్-ఎక్స్‌ట్రాక్షన్ రియాక్షన్ (HER) యొక్క గతిశాస్త్రాన్ని వేగవంతం చేసే సమర్థవంతమైన మరియు మన్నికైన ఎలక్ట్రోక్యాటలిస్ట్‌లు అవసరం. Pt మరియు దాని మిశ్రమాలు, RuO2 మరియు IrO2 వంటి నోబుల్ మెటల్-కలిగిన ఉత్ప్రేరకాలు ప్రస్తుతం OER మరియు HERలను ఉత్ప్రేరకపరచడానికి అత్యంత సమర్థవంతమైన ఉత్ప్రేరకాలు. అయినప్పటికీ, నోబుల్ లోహాల యొక్క అధిక ధర మరియు కొరత వాటి భారీ-స్థాయి అప్లికేషన్ మరియు పునరుత్పాదక శక్తి సాంకేతికతల అభివృద్ధికి ఆటంకం కలిగించాయి. ఈ పరిమితులను అధిగమించడానికి, OER మరియు OERHER లకు ఆర్థిక ప్రత్యామ్నాయాలుగా భూమి-సమృద్ధిగా ఉన్న పదార్థాలను ఉపయోగించి విలువైన మెటల్ ఎలక్ట్రోక్యాటలిస్ట్‌లను రూపొందించడానికి మరియు సంశ్లేషణ చేయడానికి గణనీయమైన ప్రయత్నాలు జరిగాయి. పరివర్తన మెటల్ ఆక్సైడ్లు, సల్ఫైడ్లు, ఫాస్ఫైడ్లు, కార్బన్ పదార్థాలు, సెలీనైడ్లు మరియు మిశ్రమ-లోహ సముదాయాలు విస్తృతంగా అధ్యయనం చేయబడ్డాయి మరియు OER మరియు HER కోసం మంచి పనితీరును చూపించాయి. అయినప్పటికీ, ఈ ఎలక్ట్రోక్యాటలిస్ట్‌లలో చాలా వరకు నోబుల్ మెటల్-ఆధారిత ఉత్ప్రేరకాల కంటే అధిక ఓవర్‌పోటెన్షియల్‌లు అవసరమవుతాయి మరియు వాటి స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరచడం చాలా కీలకం. అందువల్ల, సమర్థవంతమైన నీటి విభజన కోసం అధిక కార్యాచరణ మరియు దీర్ఘకాలిక స్థిరత్వంతో తక్కువ-ధర మరియు సమర్థవంతమైన ప్రత్యామ్నాయ ఎలక్ట్రోడ్ నిర్మాణాన్ని అభివృద్ధి చేయవలసిన అవసరం ఉంది.

ఎలక్ట్రోకెమికల్ అప్లికేషన్స్ రంగంలో, ఎలక్ట్రోడ్‌లను సిద్ధం చేయడానికి రెండు ప్రధాన వ్యూహాలు ఉపయోగించబడ్డాయి. మొదటి మరియు అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే సాంకేతికత పొడి రూపంలో ఉత్ప్రేరకాలను ఉపయోగించడం. సాధారణంగా, ఎలక్ట్రోడ్‌లు ఎలక్ట్రోయాక్టివ్ మెటీరియల్స్ యొక్క స్లర్రీలను, వాహకత పెంచేవి మరియు వాహక ఉపరితలాలపై అంటుకునే పదార్థాలను ఉపయోగించడం ద్వారా నిర్మించబడతాయి. అయితే, ఈ విధానం లోపాలు లేకుండా లేదు. ప్రధాన ప్రతికూలత ఏమిటంటే ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు ఉత్ప్రేరకం మధ్య సంపర్క ప్రాంతాన్ని తగ్గించే ఎలక్ట్రికల్ ఇన్సులేటింగ్ బైండర్ అవసరం. ఇది ఉత్ప్రేరకంగా చురుకైన సైట్‌లను నిరోధించడానికి దారితీయవచ్చు, ఫలితంగా అధిక నిరోధకత మరియు ఎలక్ట్రోక్యాటలిటిక్ పనితీరు తగ్గుతుంది. అదనంగా, ఎలక్ట్రోడ్లు సాపేక్షంగా అస్థిరంగా ఉంటాయి, ఎందుకంటే జతచేయబడిన ఉత్ప్రేరకం అధిక కరెంట్ సాంద్రత వద్ద వాహక ఉపరితలం నుండి పీల్చేస్తుంది. నికెల్ ఫోమ్, కాపర్ ఫాయిల్, కార్బన్ క్లాత్ లేదా పేపర్, ఎఫ్‌టిఓ, స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ మరియు నికెల్ ఫాయిల్ వంటి వాహక ఉపరితలంపై నేరుగా ఎలక్ట్రోడెపోజిట్ చేయబడిన నోబుల్ మెటల్ ఆధారిత పదార్థాలను ఉపయోగించడం ఎలక్ట్రోడ్ తయారీకి రెండవ ప్రధాన వ్యూహం. అయితే, ఈ విధానం దాని పరిమితులు లేకుండా లేదు. డిపాజిటెడ్ యాక్టివ్ మెటీరియల్స్ మధ్య యాక్సెస్ చేయగల ఖాళీని ఖచ్చితంగా నియంత్రించడం కష్టం మరియు అందువల్ల, లోపల ఉత్ప్రేరకంగా యాక్టివ్ సైట్‌లకు సబ్‌స్ట్రేట్ యాక్సెస్ చేయలేకపోవడం వల్ల ఫిల్మ్ మందం పెరగడంతో ఎలక్ట్రోడ్ పనితీరు తగ్గుతుంది. అదనంగా, పద్ధతి యొక్క సంక్లిష్టత మరియు అధిక ధర దాని ఆచరణాత్మక అనువర్తనాన్ని బాగా అడ్డుకుంటుంది. అందువల్ల, ఖర్చుతో కూడుకున్న కల్పన సాంకేతికతలను అభివృద్ధి చేయడంత్రిమితీయ (3D) ఎలక్ట్రోడ్లువిజయవంతమైన ఎలక్ట్రోకెమికల్ అనువర్తనాలకు ఇది అవసరం.

పోరస్ నిర్మాణాలు మరియు అధిక నిర్దిష్ట ఉపరితల ప్రాంతాలతో కొత్త త్రిమితీయ లోహ పదార్థాల అభివృద్ధి అయాన్ వ్యాప్తి పొడవును తగ్గించడానికి మరియు అయానిక్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతను పెంచే సామర్థ్యం కారణంగా గణనీయమైన దృష్టిని ఆకర్షించింది. అందువల్ల, అధిక వాహకత, పెద్ద ఉపరితల వైశాల్యం మరియు అధిక స్థిరత్వాన్ని అందించే ఉత్ప్రేరక వాహకాల యొక్క నానోస్ట్రక్చర్డ్ మిశ్రమాన్ని రూపొందించడానికి వివిధ నిర్మాణ పరిమాణాలను కలపడం ఎలక్ట్రోక్యాటలిస్ట్ రూపకల్పనకు మంచి దిశ.నికెల్ ఫోమ్(NF), వాణిజ్యపరంగా లభించే మరియు చవకైన పదార్థం, దాని కావాల్సిన త్రిమితీయ ఓపెన్-పోర్ స్ట్రక్చర్, అధిక విద్యుత్ వాహకత మరియు పెద్ద నిర్దిష్ట ఉపరితల వైశాల్యం కారణంగా ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలకు సబ్‌స్ట్రేట్ మరియు క్యారియర్‌గా విస్తృతంగా ఉపయోగించబడింది. మైక్రోపోర్‌లు మరియు బెల్లం ప్రవాహం. NFలలోని ఛానెల్‌లు మంచి ద్రవ్యరాశి బదిలీని మరియు యూనిట్ ప్రాంతానికి పెద్ద ఉపరితల వైశాల్యాన్ని కూడా అందిస్తాయి. లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు, సూపర్ కెపాసిటర్లు, సౌర ఘటాలు మరియు నీటి విభజన వంటి ఎలక్ట్రోకెమికల్ అప్లికేషన్‌ల కోసం వివిధ మెటల్ ఫోమ్‌లు, మెష్‌లు, ఫాయిల్‌లు మరియు ఫాబ్రిక్‌లతో సహా వివిధ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు కలెక్టర్లుగా అన్వేషించబడ్డాయి. ప్రత్యేకించి, పోరస్ NFలు వాటి తక్కువ ధర, విద్యుత్ వాహకత మరియు పెద్ద ఎలక్ట్రోయాక్టివ్ ఉపరితల వైశాల్యం కారణంగా దృష్టిని ఆకర్షించాయి, ఇది ఉత్ప్రేరకాలు లోడ్ చేయడానికి మరియు ఎలక్ట్రోకెమికల్ యాక్టివ్ సైట్‌లను పెంచడానికి అనువైనది. అదనంగా, పోరస్ NFలు ఎలక్ట్రోలైట్‌ల యొక్క సామూహిక రవాణాను మెరుగుపరచడంలో ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి, ఇవి శక్తి అనువర్తనాలలో అధిక ఉపరితల వైశాల్యం గల కరెంట్ కలెక్టర్‌లకు తగిన అభ్యర్థులుగా చేస్తాయి. నికెల్ ఫోమ్‌పై క్రియాశీల పదార్థాల ప్రత్యక్ష పెరుగుదల నీటి పగుళ్ల ప్రతిచర్యలలో సమర్థవంతమైన ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కోసం ఉత్ప్రేరకం-ఉపరితల సంబంధాన్ని కూడా పెంచుతుంది. సూపర్ కెపాసిటర్ మరియు బ్యాటరీ ఎలక్ట్రోడ్‌లు NFల కోసం ప్రధాన అప్లికేషన్‌లుగా ఉన్నప్పటికీ, ఇటీవలి అధ్యయనాలు ఈ మెటీరియల్‌పై నిక్షిప్తం చేసిన ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలు Ni రేకులు మరియు నెట్‌ల కంటే మెరుగైన OER కార్యాచరణను కలిగి ఉన్నాయని చూపించాయి. ఈ పదార్ధాలు వాటి సహజ రూపంలో వర్తించవచ్చు లేదా క్రియాశీల పదార్థాలతో అలంకరించబడతాయి మరియు నురుగులను కలెక్టర్లు మరియు సహాయక సబ్‌స్ట్రేట్‌లుగా ఉపయోగించవచ్చు. అందువల్ల, NF ఉపరితలాలపై నానోస్ట్రక్చర్డ్, ఎర్త్-రిచ్ ఉత్ప్రేరక పదార్థం యొక్క పెరుగుదల శక్తి నిల్వ / మార్పిడి పరికరాల కోసం అధునాతన ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాల అభివృద్ధికి వాగ్దానం చేస్తుంది. నికెల్ ఫోమ్‌పై నేరుగా పెరిగిన ఎర్త్-రిచ్ ఎలక్ట్రోక్యాటలిస్ట్‌లు సాధారణంగా అందుబాటులో ఉన్నప్పటికీ, OERలు మరియు HERల కోసం నికెల్ ఫోమ్‌పై త్రీ-డైమెన్షనల్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు విస్తృతంగా పరిశోధించబడలేదు, అయినప్పటికీ అవి పోరస్ క్రమానుగత నిర్మాణాలు, ఇవి తక్కువ ధర మరియు సులభంగా తయారు చేయబడతాయి.