การใช้ประโยชน์จากวัสดุที่มีโครงสร้างนาโนบนวัสดุโฟมนิกเกิลสามมิติเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าสำหรับการแตกร้าวจากน้ำ

การหมดลงของเชื้อเพลิงฟอสซิลและความกังวลที่เพิ่มมากขึ้นเกี่ยวกับปัญหาพลังงานและสิ่งแวดล้อมทำให้ต้องมีการวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อพัฒนาแหล่งพลังงานทางเลือกการแยกด้วยไฟฟ้าเคมีของน้ำถือเป็นกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มดีสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม การแตกร้าวด้วยน้ำอย่างมีประสิทธิภาพต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพและทนทานซึ่งสามารถเร่งจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการสกัดออกซิเจน (OER) และปฏิกิริยาการสกัดไฮโดรเจน (HER) ได้โลหะตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีส่วนประกอบ เช่น Pt และโลหะผสมของ Pt เช่น RuO2 และ IrO2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในปัจจุบันสำหรับการเร่งปฏิกิริยา OER และ HER อย่างไรก็ตาม ต้นทุนที่สูงและการขาดแคลนของโลหะมีค่าได้ขัดขวางการใช้งานในวงกว้างและการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ ได้มีการพยายามอย่างมากในการออกแบบและสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าจากโลหะที่ไม่ใช่โลหะมีค่าโดยใช้สารที่มีธาตุดินอุดมสมบูรณ์เป็นทางเลือกที่ประหยัดสำหรับ OER และ OERHER ออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน ซัลไฟด์ ฟอสไฟด์ วัสดุคาร์บอน เซเลไนด์ และสารเชิงซ้อนของโลหะผสมได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่มีแนวโน้มดีสำหรับ OER และ HER อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าส่วนใหญ่ต้องการศักย์ไฟฟ้าเกินที่สูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้โลหะมีค่า และการปรับปรุงเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยายังคงมีความสำคัญ ดังนั้น จึงมีความจำเป็นเร่งด่วนในการพัฒนาโครงสร้างอิเล็กโทรดทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพพร้อมกิจกรรมสูงและเสถียรภาพในระยะยาวสำหรับการแยกน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ

ในสาขาการประยุกต์ใช้ไฟฟ้าเคมีมีการใช้กลยุทธ์หลักสองประการในการเตรียมอิเล็กโทรด เทคนิคแรกและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปแบบผง โดยทั่วไป อิเล็กโทรดจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้สารละลายของวัสดุที่มีฤทธิ์ทางไฟฟ้า สารเพิ่มการนำไฟฟ้า และสารยึดติดบนพื้นผิวที่นำไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้ก็มีข้อเสียเช่นกัน ข้อเสียหลักคือต้องใช้สารยึดติดที่เป็นฉนวนไฟฟ้า ซึ่งจะลดพื้นที่สัมผัสระหว่างอิเล็กโทรไลต์และตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งอาจนำไปสู่การปิดกั้นบริเวณที่มีฤทธิ์ทางไฟฟ้า ส่งผลให้มีความต้านทานสูงและประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าลดลง นอกจากนี้ อิเล็กโทรดยังไม่เสถียรนัก เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ติดอยู่มีแนวโน้มที่จะหลุดออกจากพื้นผิวที่นำไฟฟ้าได้เมื่อมีความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูง กลยุทธ์หลักประการที่สองสำหรับการเตรียมอิเล็กโทรดคือการใช้วัสดุที่มีโลหะมีค่าเป็นส่วนประกอบ ซึ่งจะถูกชุบด้วยไฟฟ้าโดยตรงบนพื้นผิวที่นำไฟฟ้าได้ เช่น นิกเกิลโฟม, ฟอยล์ทองแดง ผ้าคาร์บอนหรือกระดาษ FTO เหล็กกล้าไร้สนิม และฟอยล์นิกเกิล อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้ไม่ได้ปราศจากข้อจำกัด การควบคุมพื้นที่ที่เข้าถึงได้ระหว่างวัสดุที่ใช้งานที่สะสมนั้นทำได้ยาก ดังนั้น ประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดจึงลดลงเมื่อความหนาของฟิล์มเพิ่มขึ้น เนื่องจากพื้นผิวไม่สามารถเข้าถึงไซต์ที่ใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาภายในได้ นอกจากนี้ ความซับซ้อนและต้นทุนที่สูงของวิธีนี้ยังขัดขวางการใช้งานจริงอย่างมาก ดังนั้น การพัฒนาเทคนิคการผลิตที่คุ้มต้นทุนสำหรับอิเล็กโทรดสามมิติ (3D)มีความจำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้ทางเคมีไฟฟ้าที่ประสบความสำเร็จ

การพัฒนาของวัสดุโลหะสามมิติชนิดใหม่ที่มีโครงสร้างพรุนและพื้นที่ผิวจำเพาะสูงได้ดึงดูดความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีศักยภาพในการลดความยาวของการแพร่กระจายของไอออนและเพิ่มสภาพการนำไฟฟ้าของไอออนิกและอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้น แนวทางที่มีแนวโน้มดีสำหรับการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าคือการรวมมิติโครงสร้างที่แตกต่างกันเพื่อสร้างคอมโพสิตที่มีโครงสร้างระดับนาโนของตัวพาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ให้สภาพการนำไฟฟ้าสูง พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และความเสถียรสูงโฟมนิเกิล(NF) ซึ่งเป็นวัสดุที่หาซื้อได้ในเชิงพาณิชย์และมีราคาไม่แพง ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารตั้งต้นและตัวพาสำหรับวัสดุอิเล็กโทรด เนื่องจากมีโครงสร้างรูพรุนแบบสามมิติที่พึงประสงค์ มีสภาพนำไฟฟ้าสูง และพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ รูพรุนขนาดเล็กและช่องทางการไหลแบบหยักภายใน NF ยังช่วยให้ถ่ายเทมวลได้ดีและมีพื้นผิวต่อหน่วยพื้นที่ขนาดใหญ่ สารตั้งต้นต่างๆ รวมถึงโฟมโลหะต่างๆ ตาข่าย ฟอยล์ และผ้า ได้รับการสำรวจเพื่อใช้เป็นตัวรวบรวมสำหรับการใช้งานทางเคมีไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ และการแยกน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง NF ที่มีรูพรุนได้รับความสนใจเนื่องจากมีต้นทุนต่ำ มีสภาพนำไฟฟ้า และพื้นที่ผิวอิเล็กโทรแอคทีฟขนาดใหญ่ ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการโหลดตัวเร่งปฏิกิริยาและเพิ่มไซต์ที่ใช้งานทางเคมีไฟฟ้า นอกจากนี้ NF ที่มีรูพรุนยังมีข้อได้เปรียบในการเพิ่มการขนส่งมวลของอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เหมาะสำหรับตัวรวบรวมกระแสไฟฟ้าที่มีพื้นผิวสูงในการใช้งานด้านพลังงาน การเจริญเติบโตโดยตรงของวัสดุที่ใช้งานบนโฟมนิกเกิลยังช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยากับสารตั้งต้นเพื่อให้ถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพในปฏิกิริยาการแตกร้าวของน้ำ แม้ว่าซูเปอร์คาปาซิเตอร์และอิเล็กโทรดแบตเตอรี่จะยังคงเป็นการใช้งานหลักสำหรับ NF แต่จากการศึกษาล่าสุดพบว่าวัสดุอิเล็กโทรดที่สะสมบนวัสดุนี้มีกิจกรรม OER ที่เหนือกว่าฟอยล์และตาข่ายนิเกิล วัสดุเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในรูปแบบธรรมชาติหรือตกแต่งด้วยวัสดุที่ใช้งานได้ และโฟมสามารถใช้เป็นทั้งตัวรวบรวมและพื้นผิวรองรับ ดังนั้น การเติบโตของวัสดุเร่งปฏิกิริยาที่มีโครงสร้างนาโนและอุดมด้วยดินบนพื้นผิว NF จึงถือเป็นความหวังสำหรับการพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดขั้นสูงสำหรับอุปกรณ์จัดเก็บ/แปลงพลังงาน แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่มีอุดมด้วยดินที่ปลูกโดยตรงบนโฟมนิเกิลจะหาได้ทั่วไป แต่ยังไม่ได้มีการศึกษาอิเล็กโทรดสามมิติบนโฟมนิเกิลสำหรับ OER และ HER อย่างกว้างขวาง แม้ว่าจะเป็นโครงสร้างลำดับชั้นที่มีรูพรุนซึ่งมีต้นทุนต่ำและผลิตได้ง่ายก็ตาม