Elektrokimyasal enerji dönüşümü için mezo gözenekli malzemeler

Yenilenebilir hidrojen üretimini yaygınlaştırmak için hem hidrojen oluşum reaksiyonu (HER) hem de oksijen oluşum reaksiyonu (OER) için ucuz, bol ve kolay üretilebilir, yüksek verimliliğe ve kararlılığa sahip elektrokatalizörlere ihtiyaç vardır. Geçiş metali kalkojenitler ve oksitlerin, son yıllarda HER ve OER'i katalize etmek için umut verici ve çok yönlü malzemeler olduğu gösterilmiştir. Özellikle, NiS2 ve MoS2 gibi geçiş metal sülfürleri büyük potansiyel sunar, kusurlu yüzey ve kenar bölgesi bileşimleri, iletkenlikleri ve yüzey alanları HER'e yönelik elektrokimyasal aktiviteleri üzerinde önemli bir etki yaratır. Öte yandan, OER için karışık demir-nikel oksit bazlı elektrokatalizörler yoğun olarak çalışılmıştır. Kompozisyon, yapı ve morfolojiyi ayarlayarak gözenekli bir ağ ile metal oksit/sülfür nanoparçacıklarının mühendisliği, en aktif ve kararlı elektrokatalizörü keşfetmek için oldukça umut vericidir. Bu amaçla, bu çalışmada, mezogözenekli nikel sülfürler, karışık demir-nikel oksitler ve molibden sülfür/oksit ince filmler üretmek için yumuşak bir kalıplama yöntemi geliştirdik. Sentezlenen tüm malzemeler; bileşimlerini, morfolojilerini ve yapılarını belirlemek için gelişmiş karakterizasyon araçlarıyla araştırıldı. Yumuşak şablonlama yöntemimiz, başlangıç bileşimlerini değiştirerek mezogözenekli NiS2, Ni3S2, NiS, Ni7S6 ve karışık bileşimlerin üretilmesini sağladı. Nikel sülfürlerin performansları, hem asidik hem de alkali elektrolitlerde HER'e karşı test edildi. Gelişmiş malzeme karakterizasyon araçlarıyla numunelerin izlenmesiyle yapılan elektrokimyasal testler, mezogözenekli nikel sülfürlerin, alkali elektrolitte HER altında mezogözenekli yapının çökmesi ile üstün aktif kükürt eksikliği olan nikel sülfüre dönüşen ön katalizör görevi gördüğünü ortaya koymaktadır. Benzer bir gözlem, OER için mezo gözenekli NiS2'nin elektrokimyasal testlerinde gözlendi. NiS2, OER sırasında pozitif voltaj altında Ni(OH)2'ye dönüştürüldü. Alkali elektrolitlerde OER için Ni/Fe başlangıç oranları değiştirerek mezogözenekli NiFeOx, NiFe2O4 ve Fe2O3 ince filmleri ayarlanabilir bileşimlerle sentezledik. Elektrotların aktivitelerin analizinde, oksijen oluşumu aktivitesinde NiFeOx oluşumuna sebep olan %5 Fe içeriğinin altında en yüksek performans gözlemlendi, ve Fe içeriğinin artmasıyla OER aktivitesinin azaldığı tespit edildi. NiFe2O4 oluşumu, OER aktivitesini azalttı, ancak karışık metal oksit, saf faz NiO veya Fe2O3'ten önemli ölçüde daha aktiftir. Elektrokatalizör yüzeyinde KOH elektrolitinden gelen Fe safsızlıkların depolandığı ve Ni bazlı elektrokatalizörün OER aktivitesini arttırdığı anlaşıldı. Elektrokimyasal test sonuçlarının dikkatli bir şekilde karşılaştırılmasıyla, NiO kristallerindeki Fe atomlarının, Fe kaplanan Ni bazlı metal oksit elektrokatalizörüne kıyasla OER aktivitesini önemli ölçüde artırdığı bulundu. Ayrıca asidik ortamda HER için mezogözenekli MoS3-MoS2-MoO3 ince filmler üretmek için küçük modifikasyonlarla yumuşak şablonlama stratejisini uyguladık. Test sonrası yapı ve aktivite analizi ile, mezo gözenekli yapıdaki MoS3, elektrokimyasal olarak daha aktif MoS2'ye indirgendi. Genel olarak, yumuşak şablonlama stratejisi, entegre bir film yapısına sahip ucuz ve verimli bir elektrokatalizör geliştirmek için kolay ve ölçeklenebilir bir üretim yöntemidir. Ek olarak, elektrokatalizörlerin mezogözenekli yapısı, yapı-aktivite ilişkisini, yüzey bileşimindeki veya morfolojisindeki değişiklikleri ve ultra küçük kristal boyutlarına sahip yüksek yüzey alanı nedeniyle elektrokatalizörlerin dayanıklılığını anlama konusunda fikir verir.