ত্রি-মাত্রিক নিকেল ফেনা উপকরণে ন্যানোস্ট্রাকচার্ড উপকরণের ব্যবহার জল ক্র্যাকিংয়ের জন্য ইলেক্ট্রোক্যাটালিস্ট হিসাবে

জীবাশ্ম জ্বালানীর হ্রাস এবং শক্তি এবং পরিবেশগত সমস্যা সম্পর্কে ক্রমবর্ধমান উদ্বেগ বিকল্প শক্তির উত্সগুলি বিকাশের জন্য ব্যাপক গবেষণা প্রচেষ্টার দিকে পরিচালিত করেছে।ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল ইলেক্ট্রোলাইসিসজলকে হাইড্রোজেন জ্বালানি উৎপাদনের জন্য একটি প্রতিশ্রুতিশীল কৌশল হিসাবে বিবেচনা করা হয়। যাইহোক, দক্ষ জল ক্র্যাকিংয়ের জন্য দক্ষ এবং টেকসই ইলেক্ট্রোক্যাটালিস্টের প্রয়োজন হয় যা অক্সিজেন-নিষ্কাশন বিক্রিয়া (OER) এবং হাইড্রোজেন-এক্সট্রাকশন প্রতিক্রিয়া (HER) এর গতিবিদ্যাকে ত্বরান্বিত করতে পারে। নোবেল ধাতু-ধারণকারী অনুঘটক, যেমন Pt এবং এর সংকর ধাতু, RuO2 এবং IrO2, বর্তমানে OER এবং HER অনুঘটক করার জন্য সবচেয়ে দক্ষ অনুঘটক। যাইহোক, উন্নতমানের ধাতুগুলির উচ্চ মূল্য এবং অভাব তাদের বৃহৎ আকারের প্রয়োগ এবং পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি প্রযুক্তির বিকাশকে বাধাগ্রস্ত করেছে। এই সীমাবদ্ধতাগুলি কাটিয়ে উঠতে, OER এবং OERHER-এর অর্থনৈতিক বিকল্প হিসাবে পৃথিবী-প্রচুর উপাদান ব্যবহার করে অ-মূল্যবান ধাতু ইলেক্ট্রোক্যাটালিস্টের নকশা এবং সংশ্লেষণ করার জন্য যথেষ্ট প্রচেষ্টা করা হয়েছে। ট্রানজিশন মেটাল অক্সাইড, সালফাইড, ফসফাইড, কার্বন উপাদান, সেলেনাইড এবং মিশ্র-ধাতু কমপ্লেক্সগুলি ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে এবং OER এবং HER-এর জন্য আশাব্যঞ্জক কর্মক্ষমতা দেখিয়েছে। যাইহোক, এই ইলেক্ট্রোক্যাটালিস্টগুলির বেশিরভাগের জন্য উচ্চতর ধাতু-ভিত্তিক অনুঘটকগুলির তুলনায় উচ্চতর সম্ভাবনার প্রয়োজন, এবং তাদের স্থিতিশীলতা উন্নত করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। অতএব, দক্ষ জল বিভাজনের জন্য উচ্চ কার্যকলাপ এবং দীর্ঘমেয়াদী স্থিতিশীলতা সহ একটি কম খরচে এবং দক্ষ বিকল্প ইলেক্ট্রোড কাঠামো বিকাশের জরুরি প্রয়োজন রয়েছে।

ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল অ্যাপ্লিকেশনের ক্ষেত্রে, ইলেক্ট্রোড প্রস্তুত করতে দুটি প্রধান কৌশল ব্যবহার করা হয়েছে। প্রথম এবং সর্বাধিক ব্যবহৃত কৌশলটি গুঁড়ো আকারে অনুঘটকের ব্যবহার জড়িত। সাধারণত, ইলেক্ট্রোডগুলি ইলেক্ট্রোঅ্যাকটিভ পদার্থের স্লারি, পরিবাহিতা বৃদ্ধিকারী এবং পরিবাহী সাবস্ট্রেটে আঠালো ব্যবহার করে তৈরি করা হয়। যাইহোক, এই পদ্ধতির ত্রুটি ছাড়া নয়। প্রধান অসুবিধা হল বৈদ্যুতিকভাবে অন্তরক বাইন্ডারের প্রয়োজনীয়তা, যা ইলেক্ট্রোলাইট এবং অনুঘটকের মধ্যে যোগাযোগের ক্ষেত্রকে হ্রাস করে। এটি অনুঘটকভাবে সক্রিয় সাইটগুলিকে ব্লক করতে পারে, যার ফলে উচ্চ প্রতিরোধের এবং ইলেক্ট্রোক্যাটালিটিক কর্মক্ষমতা হ্রাস পায়। উপরন্তু, ইলেক্ট্রোডগুলি তুলনামূলকভাবে অস্থির, কারণ সংযুক্ত অনুঘটক উচ্চ বর্তমান ঘনত্বে পরিবাহী স্তর থেকে খোসা ছাড়ে। ইলেক্ট্রোড প্রস্তুতির জন্য দ্বিতীয় প্রধান কৌশল হল উন্নতমানের ধাতু-ভিত্তিক উপকরণের ব্যবহার যা সরাসরি পরিবাহী সাবস্ট্রেটে ইলেক্ট্রোডিপোজিট করা হয়, যেমন নিকেল ফোম, তামার ফয়েল, কার্বন কাপড় বা কাগজ, FTO, স্টেইনলেস স্টিল এবং নিকেল ফয়েল। যাইহোক, এই পদ্ধতির সীমাবদ্ধতা ছাড়া নয়। জমাকৃত সক্রিয় পদার্থের মধ্যে প্রবেশযোগ্য স্থানকে সুনির্দিষ্টভাবে নিয়ন্ত্রণ করা কঠিন এবং তাই, ভিতরে অনুঘটকভাবে সক্রিয় সাইটগুলিতে সাবস্ট্রেটের প্রবেশযোগ্যতার কারণে ফিল্ম বেধ বৃদ্ধির সাথে ইলেক্ট্রোডের কার্যকারিতা হ্রাস পায়। উপরন্তু, পদ্ধতির জটিলতা এবং উচ্চ ব্যয় এর ব্যবহারিক প্রয়োগকে ব্যাপকভাবে বাধা দেয়। অতএব, জন্য ব্যয়-কার্যকর ফ্যাব্রিকেশন কৌশল উন্নয়নত্রিমাত্রিক (3D) ইলেক্ট্রোডসফল ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল অ্যাপ্লিকেশনের জন্য প্রয়োজনীয়।

ছিদ্রযুক্ত কাঠামো এবং উচ্চ নির্দিষ্ট পৃষ্ঠ অঞ্চল সহ নতুন ত্রি-মাত্রিক ধাতব পদার্থের বিকাশ তাদের আয়ন বিচ্ছুরণ দৈর্ঘ্য হ্রাস করার এবং আয়নিক এবং বৈদ্যুতিন পরিবাহিতা বৃদ্ধির সম্ভাবনার কারণে যথেষ্ট মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। অতএব, ইলেক্ট্রোক্যাটালিস্ট ডিজাইনের জন্য একটি প্রতিশ্রুতিশীল দিক হল বিভিন্ন কাঠামোগত মাত্রা একত্রিত করা যাতে অনুঘটক বাহকগুলির একটি ন্যানোস্ট্রাকচার্ড কম্পোজিট তৈরি করা হয় যা উচ্চ পরিবাহিতা, বৃহৎ পৃষ্ঠ এলাকা এবং উচ্চ স্থিতিশীলতা প্রদান করে।নিকেল ফেনা(NF), একটি বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ এবং সস্তা উপাদান, এটির আকাঙ্খিত ত্রিমাত্রিক খোলা ছিদ্র কাঠামো, উচ্চ বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা, এবং বৃহৎ নির্দিষ্ট পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফলের কারণে ইলেক্ট্রোড সামগ্রীর জন্য একটি সাবস্ট্রেট এবং বাহক হিসাবে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে। মাইক্রোপোরস এবং জ্যাগড প্রবাহ। এনএফ-এর মধ্যে চ্যানেলগুলিও ভাল ভর স্থানান্তর এবং প্রতি ইউনিট এলাকাতে বৃহৎ পৃষ্ঠ এলাকা প্রদান করে। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি, সুপারক্যাপাসিটর, সৌর কোষ এবং জল বিভাজনের মতো বৈদ্যুতিক রাসায়নিক অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য সংগ্রাহক হিসাবে বিভিন্ন ধাতব ফোম, জাল, ফয়েল এবং কাপড় সহ বিভিন্ন স্তরগুলি অনুসন্ধান করা হয়েছে। বিশেষত, ছিদ্রযুক্ত এনএফগুলি তাদের কম খরচ, বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা এবং বৃহৎ ইলেক্ট্রোঅ্যাকটিভ পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফলের কারণে মনোযোগ আকর্ষণ করেছে, যা অনুঘটক লোড করা এবং ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল সক্রিয় সাইট বাড়ানোর জন্য আদর্শ। উপরন্তু, ছিদ্রযুক্ত এনএফ-এর ইলেক্ট্রোলাইটের ভর পরিবহণ বাড়ানোর সুবিধা রয়েছে, যা শক্তি প্রয়োগে উচ্চ পৃষ্ঠতলের বর্তমান সংগ্রাহকদের জন্য উপযুক্ত প্রার্থী করে তোলে। নিকেল ফোমে সক্রিয় পদার্থের প্রত্যক্ষ বৃদ্ধি জল ক্র্যাকিং প্রতিক্রিয়ায় দক্ষ ইলেক্ট্রন স্থানান্তরের জন্য অনুঘটক-সাবস্ট্রেট যোগাযোগকেও উন্নত করে। যদিও সুপারক্যাপাসিটর এবং ব্যাটারি ইলেক্ট্রোডগুলি NF-এর জন্য প্রধান অ্যাপ্লিকেশন হিসাবে রয়ে গেছে, সাম্প্রতিক গবেষণায় দেখা গেছে যে এই উপাদানটিতে জমা করা ইলেক্ট্রোড উপাদানগুলির নি ফয়েল এবং জালের চেয়ে উচ্চতর OER কার্যকলাপ রয়েছে। এই উপকরণগুলি হয় তাদের প্রাকৃতিক আকারে প্রয়োগ করা যেতে পারে বা সক্রিয় উপকরণ দিয়ে সজ্জিত করা যেতে পারে এবং ফোমগুলি সংগ্রাহক এবং সাপোর্ট সাবস্ট্রেট হিসাবে উভয়ই ব্যবহার করা যেতে পারে। এইভাবে, এনএফ সাবস্ট্রেটে একটি ন্যানোস্ট্রাকচার্ড, পৃথিবী-সমৃদ্ধ অনুঘটক উপাদানের বৃদ্ধি শক্তি সঞ্চয়/রূপান্তর ডিভাইসের জন্য উন্নত ইলেক্ট্রোড উপাদানগুলির বিকাশের প্রতিশ্রুতি রাখে। যদিও নিকেল ফোমে সরাসরি জন্মানো পৃথিবী সমৃদ্ধ ইলেক্ট্রোক্যাটালিস্ট সাধারণত পাওয়া যায়, OER এবং HER-এর জন্য নিকেল ফোমের ত্রি-মাত্রিক ইলেক্ট্রোডগুলি ব্যাপকভাবে তদন্ত করা হয়নি, যদিও তারা ছিদ্রযুক্ত স্তরবিন্যাস কাঠামো যা কম খরচে এবং তৈরি করা সহজ।