利用三维镍泡沫材料上的纳米结构材料作为水裂解电催化剂值得关注

化石燃料的枯竭以及对能源和环境问题的日益关注促使人们广泛研究开发替代能源。电化学水分解被认为是氢燃料生产的一种有前景的策略。然而，高效的水分解需要高效且耐用的电催化剂，以加速析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的动力学。含贵金属催化剂，如Pt及其合金、RuO2和IrO2，是目前OER和HER最有效的催化剂。然而，贵金属的高成本和稀缺性阻碍了其大规模应用和可再生能源技术的发展。为了克服这些限制，人们投入了大量的精力来设计和合成非贵金属电催化剂，使用地球丰富的材料作为 OER 和 OER 的经济替代品。过渡金属氧化物、硫化物、磷化物、碳材料、硒化物和混合金属配合物已被广泛研究，并且在OER和HER方面具有良好的性能。然而，大多数这些电催化剂需要比贵金属基催化剂更高的过电势，因此提高其稳定性仍然至关重要。因此，迫切需要开发一种低成本、高效、高活性和长期稳定性的替代电极结构，以实现高效的水分解。

在电化学应用中，使用两种主要策略来制备电极。第一种也是最广泛使用的技术涉及使用粉末形式的催化剂。通常，电极是通过在导电基底上利用电活性材料、电导率增强剂和粘合剂的浆料来构造的。然而，这种方法并非没有缺点。主要缺点是需要电绝缘粘合剂，这会减少电解质和催化剂之间的接触面积。这可能会导致催化活性位点被阻塞，从而导致高电阻和电催化性能降低。此外，由于附着的催化剂在高电流密度下容易从导电基底上剥离，因此电极的稳定性相对较差。电极制备的第二个主要策略是使用直接电沉积在导电基材上的贵金属材料，例如泡沫镍、铜箔、碳布或纸、FTO、不锈钢和镍箔。然而，这种方法并非没有局限性。很难精确控制沉积的活性材料之间的可接触空间，因此由于基底无法接触内部催化活性位点，电极性能随着薄膜厚度的增加而减弱。此外，该方法的复杂性和高成本极大地阻碍了其实际应用。因此，开发具有成本效益的三维（3D）电极制造技术对于成功的电化学应用是必要的。

具有多孔结构和高比表面积的新型三维金属材料的开发由于其具有减少离子扩散长度和增加离子和电子电导率的潜力而引起了极大的关注。因此，电催化剂设计的一个有前途的方向是结合不同的结构尺寸来创建具有高电导率、大表面积和高稳定性的纳米结构催化剂载体复合材料。泡沫镍（NF）是一种市售且廉价的材料，由于其理想的三维开孔结构、高导电率和大的比表面积，被广泛用作电极材料的基材和载体。纳米纤维内的微孔和锯齿状流动通道还提供良好的传质和单位面积的大表面积。人们已经探索了各种基材，包括不同的金属泡沫、网、金属箔和织物，作为锂离子电池、超级电容器、太阳能电池和水分解等电化学应用的集电器。尤其是多孔纳米纤维，由于其低成本、导电性和电活性表面积大而受到关注，非常适合负载催化剂和增加电化学活性位点。此外，多孔纳米纤维在增强电解质的传质方面具有优势，使其成为能源应用中高表面积集电器的合适候选材料。活性材料在泡沫镍上的直接生长还增强了催化剂与基底的接触，从而在水分解反应中实现有效的电子转移。

尽管超级电容器和电池电极仍然是纳米纤维的主要应用，但最近的研究表明，沉积在这种材料上的电极材料比镍箔和镍网具有更优异的OER活性。这些材料可以以其天然形式应用或用活性材料装饰，其中泡沫既充当集电器又充当支撑基质。因此，在纳米纤维基底上生长纳米结构的地球丰富的催化材料有望开发用于能量存储/转换装置的先进电极材料。尽管直接在泡沫镍上生长的地电催化剂无处不在，但用于 OER 和 HER 的泡沫镍上的三维电极尽管具有多孔层状结构、低成本且易于制造，但尚未得到广泛研究。本文综述了三维泡沫镍基体用于电解水分离的纳米结构材料制备的最新进展，以及三维NF基纳米催化剂的局限性和前景。

泡沫镍已被认为是生长具有明确多孔结构的纳米材料的最佳三维基材。各种纳米结构，包括纳米颗粒、纳米片、薄膜、纳米阵列、纳米棒、分层结构和复合材料，已成功直接在泡沫镍基底电极上生长。这些纳米材料在析氧反应（OER）和析氢反应（HER）中表现出良好的效率，可以作为昂贵且稀缺的贵金属催化剂的可行替代品。泡沫镍富土催化剂最显着的优点是它们能够充当双功能催化剂。人们已经研究了各种基于过渡金属的硫化物、磷化物和氮化物，例如铁、镍、钴和钼，用于纳米结构制造、成分优化和性能增强。这些过渡金属基催化剂的结构和组成多样性为进一步提高催化性能提供了巨大的潜力。然而，对特定催化特性背后机制的全面理解仍处于起步阶段。因此，理论预测的细化以及新结构模式和成分的探索无疑将使这一新兴领域受益，并促进泡沫镍基水分解的广泛应用。

尽管纳米纤维（NF）基水分解电极材料的开发已经取得了重大进展，但该技术在投入实际应用之前仍然存在一些挑战。主要障碍包括直接生长的纳米材料的多样性有限以及 NF 基底和镍基纳米结构在酸性介质中的不稳定性。为了克服这些挑战，有必要开发基于 3D NF 的耐酸电极，例如 NF 的石墨烯复制品，并制造以前无法获得的具有电催化活性和耐酸性的材料相。此外，缺乏高活性和高效的析氢反应（HER）电催化剂是必须解决的主要障碍。因此，开发能够同时催化HER和析氧反应（OER）的高效双功能催化剂是清洁和可再生能源技术的一个非常理想的选择。纳米纤维上的水热辅助生长是几乎所有材料的最合适方法，因为它能够制备具有各种分级性质的催化剂。然而，水热法的主要缺点是缺乏对 NF 基底上生长的催化剂量的控制。