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        利用三維鎳泡沫材料上的納米結構材料作為水裂解的電催化劑是一個值得關注的課題

        時間:2023-11-21   訪問量:1128


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        化石燃料的枯竭以及對能源和環境問題的日益關注,促使人們對開發替代能源進行了廣泛的研究努力。電化學電解水被認為是一種很有前途的氫燃料生產策略。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(OER)和析氫反應(HER)的動力學。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模應用和可再生能源技術的發展。為了克服這些限制,人們付出了大量的努力來設計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的經濟替代品。過渡金屬氧化物、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OER和HER具有良好的性能。然而,大多數這些電催化劑需要比貴金屬基催化劑更高的過電位,提高其穩定性仍然至關重要。因此,迫切需要開發一種低成本、高效的、具有高活性和長期穩定性的替代電極結構來實現高效的水分裂。

        在電化學應用領域,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涉及使用粉末狀形式的催化劑。通常,電極是通過利用電活性材料的漿料、電導率增強劑和導電基板上的粘合劑來構成的。然而,這種方法并非沒有缺點。主要缺點是要求電絕緣粘合劑,它可以減少電解質和催化劑之間的接觸面積。這可能導致催化活性位點的阻斷,導致高電阻和降低電催化性能。此外,電極的穩定性相對較差,因為附著的催化劑往往在高電流密度下會從導電基板上剝離。電極制備的第二個主要策略是使用貴金屬基材料,這些材料直接電沉積在導電基板上,如泡沫鎳、銅箔、碳布或紙、FTO、不銹鋼和鎳箔。然而,這種方法并非沒有其局限性。很難精確地控制沉積的活性材料之間的可達空間,因此,由于襯底無法進入內部的催化活性位點,電極性能隨著薄膜厚度的增加而減弱。此外,該方法的復雜性和高成本極大地阻礙了其實際應用。因此,開發具有成本效益的三維(3D)電極的制造技術對于成功的電化學應用是必要的。

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        具有多孔結構和高比表面積的新型三維金屬材料的發展,由于其降低離子擴散長度和提高離子和電子電導率的潛力而引起了人們的極大關注。因此,電催化劑設計的一個很有前途的方向是結合不同的結構維度,以創建一個納米結構的催化劑載體復合材料,提供高導電率、大表面積和高穩定性。鎳泡沫塑料(NF)是一種市售且廉價的材料,由于其理想的三維開孔結構、高電導率和較大的比表面積,已被廣泛應用于電極材料的基底和載體。NFs內的微孔和鋸齒狀流動通道也提供了良好的質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、網狀、金屬箔和織物,已被探索為電化學應用的集電器,如鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池和水分裂。特別是多孔NF,由于其低成本、導電性和大的電活性表面積而受到關注,這是裝載催化劑和增加電化學活性位點的理想選擇。此外,多孔NF在增強電解質的質量傳輸方面具有優勢,使其成為能源應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也增強了催化劑-襯底的接觸,從而在水裂解反應中有效的電子傳遞。雖然超級電容器和電池電極仍然是NF的主要應用,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具有優越的OER活性。這些材料既可以以其天然的形式來應用,也可以用活性材料來裝飾,泡沫既可以作為集電器和支撐基體。因此,在NF襯底上生長一種納米結構的地球豐富的催化材料為開發用于能量存儲/轉換器件的先進電極材料帶來了希望。盡管直接在泡沫鎳上生長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構,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構材料的最新進展,以及三維NF基納米催化劑的局限性和前景。

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        鎳泡沫已被確定為生長具有明確多孔結構的納米材料的最佳三維襯底。多種納米結構,包括納米顆粒、納米片、薄膜、納米陣列、納米棒、分層結構和復合材料,已經成功地直接在鎳泡沫物襯底電極上生長。這些納米材料在析氧反應(OER)和析氫反應(HER)方面表現出了良好的效率,并可能作為貴金屬基催化劑既昂貴又稀缺的可行替代品。富土催化劑對泡沫鎳最顯著的優點是它們能夠作為雙功能催化劑。各種過渡金屬基硫化物、磷化物和氮化物,如鐵、鎳、鈷和鉬,已被研究用于納米結構的制造、成分優化和性能增強。這些過渡金屬基催化劑的結構和組成多樣性為進一步提高催化性能提供了重要的潛力。然而,對特定催化性能的潛在機制的全面了解仍處于起步階段。因此,理論預測的細化和新的結構圖案和組成的探索無疑將有利于這一新興領域,促進鎳泡沫基水裂解的廣泛應用。

        盡管基于納米纖維(NF)基的水分裂電極材料的開發取得了重大進展,但在該技術能夠被實際應用之前,仍存在一些挑戰。主要的障礙包括直接生長的納米材料的多樣性有限,以及NF襯底和鎳基納米結構在酸性介質中的不穩定性。為了克服這些挑戰,有必要開發耐酸的3D NF基電極,如NF的石墨烯復制品,并制造以前無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(HER)電催化劑是必須解決的一個主要障礙。因此,開發能夠同時催化HER和氧演化反應(OER)的高效雙功能催化劑是清潔和可再生能源技術的非常理想的選擇。在NF上的水熱輔助生長是幾乎所有材料最合適的方法,因為它能夠制備具有各種層次性質的催化劑。然而,水熱法的主要缺點是缺乏對在NF底物上生長的催化劑數量的控制。

         

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