Material nanoegituratuak erabiltzea hiru dimentsioko nikel-apar materialetan ur pitzatzeko elektrokatalizatzaile gisa.

Erregai fosilen agortzeak eta energiaren eta ingurumen-arazoei buruzko kezka gero eta handiagoak energia-iturri alternatiboak garatzeko ikerketa-ahalegin handia ekarri dute.Elektrolisi elektrokimikoauraren estrategia itxaropentsutzat hartzen da hidrogeno erregaia ekoizteko. Hala ere, uraren pitzadura eraginkorrak elektrokatalizatzaile eraginkorrak eta iraunkorrak behar ditu, oxigenoa erauzteko erreakzioaren (OER) eta hidrogenoa erauzteko erreakzioaren (HER) zinetika azkartu dezaketenak. Metal nobleak dituzten katalizatzaileak, hala nola Pt eta bere aleazioak, RuO2 eta IrO2, dira gaur egun OER eta HER katalizatzeko katalizatzaile eraginkorrenak. Hala ere, metal nobleen kostu altuak eta eskasiak eskala handiko aplikazioa eta energia berriztagarrien teknologien garapena oztopatu ditu. Muga horiek gainditzeko, ahalegin handiak egin dira metal preziatu gabeko elektrokatalizatzaileak diseinatzeko eta sintetizatzeko, lurra ugariko materialak erabiliz, OER eta OERHERren alternatiba ekonomiko gisa. Trantsizio-metal oxidoak, sulfuroak, fosfuroak, karbono-materialak, seleniuroak eta metal mistoen konplexuak sakon aztertu dira eta OER eta HERrentzat errendimendu itxaropentsua erakutsi dute. Hala ere, elektrokatalizatzaile horietako gehienek metal nobleetan oinarritutako katalizatzaile baino gainpotentzial handiagoak behar dituzte, eta haien egonkortasuna hobetzea funtsezkoa izaten jarraitzen du. Hori dela eta, premiazkoa da kostu baxuko eta eraginkorra den elektrodo-egitura alternatibo bat garatzea, jarduera handikoa eta epe luzerako egonkortasuna duena, ura eraginkortasunez banatzeko.

Aplikazio elektrokimikoen arloan, elektrodoak prestatzeko bi estrategia nagusi erabili dira. Lehenengo teknika eta gehien erabiltzen denak katalizatzaileak hauts moduan erabiltzea dakar. Normalean, elektrodoak material elektroaktiboen minak erabiliz eraikitzen dira, eroankortasun-hobetzaileak eta itsasgarriak substratu eroaleetan. Hala ere, ikuspegi hau ez dago eragozpenik gabe. Desabantaila nagusia aglutinatzaile elektriko isolatzaile baten eskakizuna da, elektrolitoaren eta katalizatzailearen arteko kontaktu-eremua murrizten duena. Honek gune katalitiko aktiboak blokeatzea ekar dezake, erresistentzia handia eta errendimendu elektrokatalitikoa murriztuz. Horrez gain, elektrodoak nahiko ezegonkorrak dira, erantsitako katalizatzaileak substratu eroaletik kentzeko joera baitu korronte dentsitate handietan. Elektrodoak prestatzeko bigarren estrategia nagusia substratu eroalean zuzenean elektrodepositatzen diren metalezko material nobleak erabiltzea da, hala nola nikel aparra, kobrezko papera, karbono oihal edo papera, FTO, altzairu herdoilgaitza eta nikel papera. Hala ere, ikuspegi hau ez dago mugarik gabe. Zaila da metatutako material aktiboen arteko espazio irisgarria zehatz kontrolatzea eta, beraz, elektrodoaren errendimendua murrizten da filmaren lodiera handituz gero, substratua barruko gune katalitikoki aktiboetara irisgarritasunik ez dagoelako. Gainera, metodoaren konplexutasunak eta kostu handiak asko oztopatzen dute bere aplikazio praktikoa. Hori dela eta, fabrikazio-teknika errentagarriak garatzeahiru dimentsioko (3D) elektrodoakbeharrezkoa da aplikazio elektrokimiko arrakastatsuetarako.

Egitura porotsuak eta azalera espezifiko handiko hiru dimentsioko material metaliko berrien garapenak arreta handia erakarri du, ioien difusioaren luzera murrizteko eta eroankortasun ionikoa eta elektronikoa areagotzeko duten ahalmenagatik. Hori dela eta, elektrokatalizatzaileen diseinurako norabide itxaropentsua da estruktura-dimentsio desberdinak konbinatzea, eroankortasun handia, azalera handia eta egonkortasun handia eskaintzen dituen katalizatzaile-eramaileen konposite nanoegituratua sortzeko.Nikelezko aparra(NF), komertzialki eskuragarri eta merkea den materiala, oso erabilia izan da elektrodoen materialen substratu eta eramaile gisa bere hiru dimentsioko poro irekiko egitura desiragarria dela eta, eroankortasun elektriko handia eta azalera espezifiko handiagatik. NF-en barneko kanalek masa-transferentzia ona eta azalera-unitateko azalera handia eskaintzen dute. Hainbat substratu, metalezko apar, sare, paper eta ehunak barne, aplikazio elektrokimikoetarako kolektore gisa aztertu dira, hala nola litio-ioizko bateriak, superkondentsadoreak, eguzki-zelulak eta ura zatitzeko. Bereziki, NF porotsuek arreta erakarri dute kostu baxuagatik, eroankortasun elektrikoagatik eta gainazal elektroaktibo handiagatik, ezin hobea baita katalizatzaileak kargatzeko eta gune aktibo elektrokimikoak handitzeko. Gainera, NF porotsuek elektrolitoen masa-garraioa hobetzeko abantailak dituzte, eta energia-aplikazioetan azalera handiko korronte-kolektoreetarako hautagai egokiak dira. Material aktiboen hazkuntza zuzenak nikel-apar gainean katalizatzaile-substratu kontaktua ere hobetzen du uraren pitzadura-erreakzioetan elektroien transferentzia eraginkorra lortzeko. Superkondentsadoreak eta bateria-elektrodoak NFetarako aplikazio nagusiak izaten jarraitzen duten arren, azken ikerketek erakutsi dute material honetan metatutako elektrodo-materialek OER jarduera handiagoa dutela Ni paperek eta sareek baino. Material hauek bere forma naturalean edo material aktiboekin apaindu daitezke, eta aparrak bildumagile eta euskarri gisa erabil daitezke. Beraz, NF substratuetan nanoegituratutako eta lur-aberastutako material katalitiko baten hazkuntzak energia biltegiratzeko/bihurtzeko gailuetarako elektrodo-material aurreratuak garatzeko itxaropena du. Nikel-apar gainean zuzenean hazitako lur aberatseko elektrokatalizatzaileak normalean eskuragarri dauden arren, OER eta HER-etarako nikel-apar gaineko hiru dimentsioko elektrodoak ez dira sakon ikertu, nahiz eta kostu baxuko eta fabrikatzeko errazak diren egitura hierarkikoak porotsuak izan.