Pemanfaatan material berstruktur nano pada material busa nikel tiga dimensi sebagai elektrokatalis untuk perengkahan air

Menipisnya bahan bakar fosil dan meningkatnya kekhawatiran tentang masalah energi dan lingkungan telah menyebabkan upaya penelitian ekstensif untuk mengembangkan sumber energi alternatif.Elektrolisis elektrokimiaair dianggap sebagai strategi yang menjanjikan untuk produksi bahan bakar hidrogen. Namun, perengkahan air yang efisien memerlukan elektrokatalis yang efisien dan tahan lama yang dapat mempercepat kinetika reaksi ekstraksi oksigen (OER) dan reaksi ekstraksi hidrogen (HER). NobleLogam-mengandung katalis, seperti Pt dan paduannya, RuO2 dan IrO2, saat ini merupakan katalis yang paling efisien untuk mengkatalisis OER dan HER. Namun, tingginya biaya dan kelangkaan logam mulia telah menghambat aplikasi skala besar dan pengembangan teknologi energi terbarukan. Untuk mengatasi keterbatasan ini, upaya yang cukup besar telah dilakukan untuk merancang dan mensintesis elektrokatalis logam non-mulia menggunakan bahan-bahan yang melimpah di bumi sebagai alternatif ekonomis untuk OER dan OERHER. Oksida logam transisi, sulfida, fosfida, bahan karbon, selenida, dan kompleks logam campuran telah dipelajari secara ekstensif dan telah menunjukkan kinerja yang menjanjikan untuk OER dan HER. Namun, sebagian besar elektrokatalis ini memerlukan overpotensial yang lebih tinggi daripada katalis berbasis logam mulia, dan meningkatkan stabilitasnya tetap penting. Oleh karena itu, ada kebutuhan mendesak untuk mengembangkan struktur elektroda alternatif yang murah dan efisien dengan aktivitas tinggi dan stabilitas jangka panjang untuk pemisahan air yang efisien.

Di bidang aplikasi elektrokimia, dua strategi utama telah digunakan untuk menyiapkan elektroda. Teknik pertama dan yang paling banyak digunakan melibatkan penggunaan katalis dalam bentuk bubuk. Biasanya, elektroda dibuat dengan memanfaatkan bubur bahan elektroaktif, penambah konduktivitas, dan perekat pada substrat konduktif. Namun, pendekatan ini bukannya tanpa kekurangan. Kerugian utamanya adalah persyaratan untuk pengikat isolasi listrik, yang mengurangi area kontak antara elektrolit dan katalis. Hal ini dapat menyebabkan penyumbatan situs aktif katalitik, yang mengakibatkan resistansi tinggi dan kinerja elektrokatalitik yang berkurang. Selain itu, elektroda relatif tidak stabil, karena katalis yang menempel cenderung terkelupas dari substrat konduktif pada kepadatan arus tinggi. Strategi utama kedua untuk persiapan elektroda adalah penggunaan bahan berbasis logam mulia yang diendapkan secara elektro langsung ke substrat konduktif, seperti nikelBusa, foil tembaga, kain atau kertas karbon, FTO, baja tahan karat dan foil nikel. Namun, pendekatan ini bukan tanpa keterbatasan. Sulit untuk mengontrol secara tepat ruang yang dapat diakses antara bahan aktif yang diendapkan dan, oleh karena itu, kinerja elektroda berkurang dengan meningkatnya ketebalan film karena tidak dapat diaksesnya substrat ke situs aktif katalitik di dalamnya. Selain itu, kompleksitas dan biaya tinggi dari metode ini sangat menghambat penerapan praktisnya. Oleh karena itu, pengembangan teknik fabrikasi yang hemat biaya untukelektroda tiga dimensi (3D)diperlukan untuk aplikasi elektrokimia yang berhasil.

Pengembangan material logam tiga dimensi baru dengan struktur berpori dan luas permukaan spesifik yang tinggi telah menarik perhatian besar karena potensinya untuk mengurangi panjang difusi ion dan meningkatkan konduktivitas ionik dan elektronik. Oleh karena itu, arah yang menjanjikan untuk desain elektrokatalis adalah menggabungkan dimensi struktural yang berbeda untuk menciptakan komposit pembawa katalis berstruktur nano yang memberikan konduktivitas tinggi, luas permukaan besar, dan stabilitas tinggi.Busa nikel(NF), material yang tersedia secara komersial dan murah, telah digunakan secara luas sebagai substrat dan pembawa untuk material elektroda karena struktur pori terbuka tiga dimensi yang diinginkan, konduktivitas listrik yang tinggi, dan luas permukaan spesifik yang besar. Mikropori dan saluran aliran bergerigi di dalam NF juga memberikan perpindahan massa yang baik dan luas permukaan per satuan luas yang besar. Berbagai substrat, termasuk berbagai busa logam, kasa, foil, dan kain, telah dieksplorasi sebagai kolektor untuk aplikasi elektrokimia seperti baterai lithium-ion, superkapasitor, sel surya, dan pemisahan air. Secara khusus, NF berpori telah menarik perhatian karena biayanya yang rendah, konduktivitas listrik, dan luas permukaan elektroaktif yang besar, yang ideal untuk memuat katalis dan meningkatkan situs aktif elektrokimia. Selain itu, NF berpori memiliki keunggulan dalam meningkatkan transportasi massa elektrolit, menjadikannya kandidat yang cocok untuk kolektor arus dengan luas permukaan tinggi dalam aplikasi energi. Pertumbuhan langsung material aktif pada busa nikel juga meningkatkan kontak katalis-substrat untuk transfer elektron yang efisien dalam reaksi perengkahan air. Sementara elektroda superkapasitor dan baterai tetap menjadi aplikasi utama untuk NF, studi terkini telah menunjukkan bahwa bahan elektroda yang diendapkan pada bahan ini memiliki aktivitas OER yang lebih unggul daripada foil dan jaring Ni. Bahan-bahan ini dapat diaplikasikan baik dalam bentuk alami atau dihias dengan bahan aktif, dan busa dapat digunakan baik sebagai pengumpul maupun substrat pendukung. Dengan demikian, pertumbuhan bahan katalitik kaya tanah berstruktur nano pada substrat NF menjanjikan pengembangan bahan elektroda canggih untuk perangkat penyimpanan/konversi energi. Meskipun elektrokatalis kaya tanah yang tumbuh langsung pada busa nikel tersedia secara umum, elektroda tiga dimensi pada busa nikel untuk OER dan HER belum diselidiki secara ekstensif, meskipun struktur hierarkis berpori tersebut berbiaya rendah dan mudah dibuat.