ජල ඉරිතැලීම් සඳහා විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක ලෙස ත්‍රිමාණ නිකල් පෙන ද්‍රව්‍ය මත නැනෝ ව්‍යුහගත ද්‍රව්‍ය භාවිතය

ෆොසිල ඉන්ධන ක්ෂය වීම සහ බලශක්ති සහ පාරිසරික ගැටළු පිළිබඳ වැඩෙන උත්සුකයන් විකල්ප බලශක්ති ප්‍රභවයන් සංවර්ධනය කිරීම සඳහා පුළුල් පර්යේෂණ ප්‍රයත්නයන්ට තුඩු දී ඇත.විද්යුත් රසායනික විද්යුත් විච්ඡේදනයජලය හයිඩ්‍රජන් ඉන්ධන නිෂ්පාදනය සඳහා හොඳ උපාය මාර්ගයක් ලෙස සැලකේ. කෙසේ වෙතත්, කාර්යක්ෂම ජල ඉරිතැලීම සඳහා ඔක්සිජන් නිස්සාරණ ප්‍රතික්‍රියාවේ (OER) සහ හයිඩ්‍රජන් නිස්සාරණ ප්‍රතික්‍රියාවේ (HER) චාලකත්වය වේගවත් කළ හැකි කාර්යක්ෂම හා කල් පවතින විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක අවශ්‍ය වේ. Pt සහ එහි මිශ්‍ර ලෝහ වන RuO2 සහ IrO2 වැනි උච්ච ලෝහ අඩංගු උත්ප්‍රේරක දැනට OER සහ HER උත්ප්‍රේරක සඳහා වඩාත් කාර්යක්ෂම උත්ප්‍රේරක වේ. කෙසේ වෙතත්, උච්ච ලෝහවල අධික මිල සහ හිඟකම ඔවුන්ගේ මහා පරිමාණ යෙදුමට සහ පුනර්ජනනීය බලශක්ති තාක්ෂණයන් සංවර්ධනය කිරීමට බාධාවක් වී ඇත. මෙම සීමාවන් මඟහරවා ගැනීම සඳහා, OER සහ OERHER සඳහා ආර්ථිකමය විකල්ප ලෙස පෘථිවි බහුල ද්‍රව්‍ය භාවිතා කරමින් වටිනා නොවන ලෝහ විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක සැලසුම් කිරීම සහ සංස්ලේෂණය කිරීම සඳහා සැලකිය යුතු උත්සාහයක් ගෙන ඇත. සංක්‍රාන්ති ලෝහ ඔක්සයිඩ, සල්ෆයිඩ්, ෆොස්ෆයිඩ්, කාබන් ද්‍රව්‍ය, සෙලීනයිඩ් සහ මිශ්‍ර ලෝහ සංකීර්ණ පුළුල් ලෙස අධ්‍යයනය කර ඇති අතර OER සහ HER සඳහා හොඳ කාර්ය සාධනයක් පෙන්නුම් කර ඇත. කෙසේ වෙතත්, මෙම බොහෝ විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක සඳහා උච්ච ලෝහ පදනම් වූ උත්ප්‍රේරකවලට වඩා වැඩි අධි විභවයන් අවශ්‍ය වන අතර, ඒවායේ ස්ථායීතාව වැඩිදියුණු කිරීම ඉතා වැදගත් වේ. එබැවින්, කාර්යක්ෂම ජලය බෙදීම සඳහා ඉහළ ක්රියාකාරිත්වයක් සහ දිගුකාලීන ස්ථාවරත්වයක් සහිත අඩු වියදම් සහ කාර්යක්ෂම විකල්ප ඉලෙක්ට්රෝඩ ව්යුහයක් සංවර්ධනය කිරීමේ හදිසි අවශ්යතාවයක් පවතී.

විද්යුත් රසායනික යෙදුම් ක්ෂේත්රයේ, ඉලෙක්ට්රෝඩ සකස් කිරීම සඳහා ප්රධාන උපාය මාර්ග දෙකක් භාවිතා කර ඇත. පළමු හා බහුලව භාවිතා වන තාක්ෂණය කුඩු ආකාරයෙන් උත්ප්රේරක භාවිතා කිරීම ඇතුළත් වේ. සාමාන්‍යයෙන්, ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ඉදිකරනු ලබන්නේ සන්නායක උපස්ථර මත විද්‍යුත් ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍ය, සන්නායකතා වැඩි දියුණු කරන්නන් සහ ඇලවුම් ද්‍රව්‍යවල පොහොර භාවිතා කිරීමෙනි. කෙසේ වෙතත්, මෙම ප්රවේශය අඩුපාඩු නොමැතිව නොවේ. ප්රධාන අවාසිය නම් විද්යුත් පරිවාරක බන්ධකයක් සඳහා අවශ්යතාවය වන අතර, ඉලෙක්ට්රෝලය සහ උත්ප්රේරකය අතර සම්බන්ධතා ප්රදේශය අඩු කරයි. මෙය උත්ප්‍රේරක ක්‍රියාකාරී ස්ථාන අවහිර කිරීමට හේතු විය හැක, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස ඉහළ ප්‍රතිරෝධයක් සහ විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක ක්‍රියාකාරිත්වය අඩු වේ. ඊට අමතරව, ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සාපේක්ෂව අස්ථායී වේ, අමුණා ඇති උත්ප්‍රේරකය ඉහළ ධාරා ඝනත්වයකදී සන්නායක උපස්ථරයෙන් ඉවත් වීමට නැඹුරු වේ. ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සැකසීමේ දෙවන ප්‍රධාන උපාය මාර්ගය වන්නේ නිකල් පෙන, තඹ තීරු, කාබන් රෙදි හෝ කඩදාසි, FTO, මල නොබැඳෙන වානේ සහ නිකල් තීරු වැනි සන්නායක උපස්ථරය මත සෘජුවම ඉලෙක්ට්‍රෝඩ තැන්පත් කර ඇති උච්ච ලෝහ පාදක ද්‍රව්‍ය භාවිතයයි. කෙසේ වෙතත්, මෙම ප්රවේශය එහි සීමාවන් නොමැතිව නොවේ. තැන්පත් කරන ලද ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍ය අතර ප්‍රවේශ විය හැකි අවකාශය නිවැරදිව පාලනය කිරීම අපහසු වන අතර, එම නිසා, උපස්ථරය තුළ ඇති උත්ප්‍රේරක ක්‍රියාකාරී ස්ථාන වෙත ප්‍රවේශ විය නොහැකි වීම හේතුවෙන් චිත්‍රපට ඝනකම වැඩි වීමත් සමඟ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ක්‍රියාකාරිත්වය අඩු වේ. ඊට අමතරව, ක්‍රමයේ සංකීර්ණත්වය සහ අධික පිරිවැය එහි ප්‍රායෝගික භාවිතයට බෙහෙවින් බාධා කරයි. එබැවින්, පිරිවැය-ඵලදායී නිෂ්පාදන ශිල්පීය ක්රම සංවර්ධනය කිරීමත්රිමාණ (3D) ඉලෙක්ට්රෝඩසාර්ථක විද්යුත් රසායනික යෙදුම් සඳහා අවශ්ය වේ.

සිදුරු සහිත ව්‍යුහයන් සහ ඉහළ නිශ්චිත පෘෂ්ඨ ප්‍රදේශ සහිත නව ත්‍රිමාණ ලෝහමය ද්‍රව්‍ය සංවර්ධනය කිරීම සැලකිය යුතු අවධානයක් ආකර්ෂණය කර ඇත්තේ ඒවායේ අයන විසරණ දිග අඩු කිරීමට සහ අයනික හා ඉලෙක්ට්‍රොනික සන්නායකතාව වැඩි කිරීමට ඇති හැකියාව හේතුවෙනි. එබැවින්, විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක සැලසුම් සඳහා හොඳ දිශාවක් වන්නේ ඉහළ සන්නායකතාවය, විශාල පෘෂ්ඨීය ප්‍රදේශය සහ ඉහළ ස්ථායීතාවයක් ලබා දෙන උත්ප්‍රේරක වාහකවල නැනෝ ව්‍යුහගත සංයුක්තයක් නිර්මාණය කිරීම සඳහා විවිධ ව්‍යුහාත්මක මානයන් ඒකාබද්ධ කිරීමයි.නිකල් පෙන(NF), වාණිජමය වශයෙන් ලබා ගත හැකි සහ මිල අඩු ද්‍රව්‍යයක්, එහි යෝග්‍ය ත්‍රිමාණ විවෘත සිදුරු ව්‍යුහය, ඉහළ විද්‍යුත් සන්නායකතාවය සහ විශාල නිශ්චිත මතුපිට ප්‍රදේශය හේතුවෙන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ද්‍රව්‍ය සඳහා උපස්ථරයක් සහ වාහකයක් ලෙස බහුලව භාවිතා වී ඇත. NFs තුළ ඇති නාලිකා ද හොඳ ස්කන්ධ හුවමාරුවක් සහ ඒකක ප්‍රදේශයකට විශාල මතුපිට ප්‍රදේශයක් සපයයි. ලිතියම් අයන බැටරි, සුපිරි ධාරිත්‍රක, සූර්ය කෝෂ සහ ජලය බෙදීම වැනි විද්‍යුත් රසායනික යෙදුම් සඳහා එකතුකරන්නන් ලෙස විවිධ ලෝහ පෙණ, දැල්, තීරු සහ රෙදි ඇතුළු විවිධ උපස්ථර ගවේෂණය කර ඇත. විශේෂයෙන්ම, porous NFs අඩු පිරිවැය, විද්යුත් සන්නායකතාවය සහ විශාල විද්යුත් ක්රියාකාරී මතුපිට ප්රදේශය හේතුවෙන් අවධානය ආකර්ෂණය කර ඇති අතර, උත්ප්රේරක පැටවීම සහ විද්යුත් රසායනික ක්රියාකාරී ස්ථාන වැඩි කිරීම සඳහා යෝග්ය වේ. මීට අමතරව, porous NFs වලට ඉලෙක්ට්‍රෝලයිට්වල මහා පරිවහනය වැඩි දියුණු කිරීමේ වාසි ඇත, ඒවා බලශක්ති යෙදුම්වල ඉහළ පෘෂ්ඨ ප්‍රමාණයේ ධාරා එකතු කරන්නන් සඳහා සුදුසු අපේක්ෂකයින් බවට පත් කරයි. නිකල් පෙන මත සක්‍රීය ද්‍රව්‍යවල සෘජු වර්ධනය ද ජල ඉරිතැලීම් ප්‍රතික්‍රියා වලදී කාර්යක්ෂම ඉලෙක්ට්‍රෝන හුවමාරුව සඳහා උත්ප්‍රේරක-උපස්ථර සම්බන්ධතාව වැඩි දියුණු කරයි. සුපිරි ධාරිත්‍රක සහ බැටරි ඉලෙක්ට්‍රෝඩ NF සඳහා ප්‍රධාන යෙදුම් ලෙස පවතින අතර, මෑත අධ්‍යයනයන් පෙන්වා දී ඇත්තේ මෙම ද්‍රව්‍ය මත තැන්පත් කර ඇති ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ද්‍රව්‍ය Ni තීරු සහ දැල් වලට වඩා උසස් OER ක්‍රියාකාරකම් ඇති බවයි. මෙම ද්රව්ය ස්වභාවික ආකාරයෙන් හෝ ක්රියාකාරී ද්රව්ය වලින් සරසා ගත හැකි අතර, ෆෝම් එකතු කරන්නන් සහ ආධාරක උපස්ථර ලෙස භාවිතා කළ හැකිය. මේ අනුව, NF උපස්ථර මත නැනෝ ව්‍යුහගත, පෘථිවි-පොහොසත් උත්ප්‍රේරක ද්‍රව්‍යයේ වර්ධනය බලශක්ති ගබඩා/පරිවර්තන උපාංග සඳහා උසස් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ද්‍රව්‍ය සංවර්ධනය සඳහා පොරොන්දුවක් දරයි. නිකල් පෙන මත සෘජුවම වගා කරන ලද පෘථිවි-පොහොසත් විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක සාමාන්‍යයෙන් ලබා ගත හැකි වුවද, OERs සහ HERs සඳහා නිකල් පෙන මත ත්‍රිමාණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ පුළුල් ලෙස විමර්ශනය කර නැත, නමුත් ඒවා අඩු වියදම් සහ පහසුවෙන් සාදාගත හැකි සිදුරු සහිත ධූරාවලි ව්‍යුහයන් වේ.