เนื่องจากเป็นวัสดุโลหะที่มีรูพรุน โฟม Ni-Fe มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในอุปกรณ์การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าในน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอิเล็กโทรไลเซอร์แบบอัลคาไลน์

เนื่องจากเป็นวัสดุโลหะที่มีรูพรุน โฟม Ni-Fe มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในอุปกรณ์การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าในน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอิเล็กโทรไลเซอร์แบบอัลคาไลน์ ต่อไปนี้เป็นการวิเคราะห์โดยละเอียดจากสถานการณ์การใช้งานสองด้านและข้อดีเชิงเปรียบเทียบ:

I. การใช้โฟม Ni-Fe ในการผลิตไฮโดรเจนในการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า
1. เป็นวัสดุอิเล็กโทรด

แคโทด (ปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน, HER): โลหะผสม-นิกเกิลของเหล็กมีฤทธิ์ในการเร่งปฏิกิริยาปานกลางสำหรับปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง

แอโนด (ปฏิกิริยาการวิวัฒนาการของออกซิเจน, OER): วัสดุที่มีนิกเกิล-เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบคลาสสิกสำหรับ OER ในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่เป็นด่าง และการเติมธาตุเหล็กสามารถปรับปรุงการทำงานของสารเหล่านี้ได้อย่างมีนัยสำคัญ (เช่น ชั้น Ni-Fe ออกไซด์)

อิเล็กโทรดแบบสองฟังก์ชัน: ด้วยการปรับเปลี่ยนพื้นผิว (เช่น-การสร้าง NiFe ไฮดรอกไซด์ในแหล่งกำเนิด) ทำให้สามารถเร่งปฏิกิริยาแบบสองฟังก์ชันของ HER/OER ได้ ซึ่งทำให้โครงสร้างอิเล็กโทรไลเซอร์ง่ายขึ้น

2. รองรับวัสดุพิมพ์

โครงสร้างรูพรุนสามมิติ-ของโฟม Ni-Fe สามารถใช้เป็นพาหะในการโหลดตัวเร่งปฏิกิริยาประสิทธิภาพสูง-อื่นๆ (เช่น Co, Mo ซัลไฟด์ หรืออนุภาคนาโนของโลหะมีค่า) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม
3. ชั้นกระจายก๊าซ (GDL)
ความพรุนสูง (70-95%) และสภาพนำไฟฟ้าช่วยให้อิเล็กโทรไลต์แทรกซึมและก๊าซหลบหนีได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยลดศักยภาพที่สูงเกินไปที่เกิดจากการอุดตันของฟองสบู่

2. ข้อได้เปรียบเชิงเปรียบเทียบของโฟมเหล็ก-นิกเกิล
1. เปรียบเทียบกับวัสดุโลหะมีค่า (เช่น Pt, IrO₂)
- ความได้เปรียบด้านต้นทุน: เหล็ก-ทรัพยากรนิกเกิลมีมากมาย และราคาเป็นเพียงหนึ่งในพันของโลหะมีค่า ซึ่งช่วยลดต้นทุนอุปกรณ์ได้อย่างมาก
- ความเสถียร: ความต้านทานการกัดกร่อนดีกว่าโลหะมีค่าในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง (เช่น Pt สามารถออกซิไดซ์ได้ง่ายและปิดใช้งานในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง)
ศักยภาพเชิงฟังก์ชัน - แบบคู่-: โลหะมีค่ามักมีความเชี่ยวชาญในปฏิกิริยาเดี่ยว (เช่น Pt สำหรับ HER, IrO₂ สำหรับ OER) ในขณะที่เหล็ก-นิกเกิลสามารถบรรลุฟังก์ชันคู่ผ่านการควบคุมส่วนประกอบ
2. เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรดโลหะแบบดั้งเดิม (เช่นสแตนเลส ตาข่ายนิกเกิล)
- พื้นที่ผิวจำเพาะสูง: โครงสร้างโฟมจะเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพหลายสิบเท่า เผยให้เห็นบริเวณที่มีการเคลื่อนไหวมากขึ้น และลดความหนาแน่นกระแสที่มากเกินไป
- ความแข็งแรงทางกล: โครงกระดูกที่มีรูพรุนมีทั้งความยืดหยุ่นและความแข็งแกร่ง ซึ่งดีกว่าอิเล็กโทรดเคลือบออกไซด์-ที่มีแนวโน้มที่จะแตกหักง่าย
- ประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวล: รูขุมขนที่เปิดอยู่เร่งการไหลของอิเล็กโทรไลต์และการปล่อยฟอง ช่วยลดโพลาไรเซชันของความเข้มข้น
3. การเปรียบเทียบกับวัสดุที่มีคาร์บอน- (เช่น กระดาษคาร์บอน กราไฟท์)
- ความนำไฟฟ้า: ค่าการนำไฟฟ้าภายในของโลหะ (~10⁶ S/m) ดีกว่าค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุคาร์บอนอย่างมาก (~10²–10³ S/m)
- ความต้านทานต่อออกซิเดชัน: การทำงานระยะยาว-ในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่างไม่มีปัญหาการกัดกร่อนของคาร์บอนและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
4. การเปรียบเทียบกับออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน/ซัลไฟด์
- ขั้นตอนการเตรียมการง่ายๆ: นิกเกิลเหล็กที่มีฟองสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรดได้โดยตรง โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการเคลือบหรือเผาผนึกที่ซับซ้อน
- วัสดุพิมพ์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าแบบรวม: หลีกเลี่ยงปัญหาความต้านทานการสัมผัสระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้า

3. สรุปข้อดีด้านประสิทธิภาพหลัก
ลักษณะโฟมนิกเกิล ข้อบกพร่องของวัสดุอื่น
Specific surface area Three-dimensional porous structure (porosity>90%) พื้นที่ใช้งานจำนวนมากจำกัดพื้นที่ผิวของอิเล็กโทรดแบบแบนหรือวัสดุที่มีความหนาแน่น
ค่าการนำไฟฟ้า โลหะ-ระดับการนำไฟฟ้า (10⁶ S/m) ความต้านทานต่ำ ค่าการนำไฟฟ้าของออกไซด์/ซัลไฟด์ต่ำ (ต้องอาศัยตัวพา)
ความเสถียรทางกล ทนทานต่อกระแสไฟสูง ทนทานต่อการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์ (สภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง) วัสดุคาร์บอนสึกกร่อนง่าย และสารเคลือบหลุดลอกง่าย
ต้นทุน วัตถุดิบราคาถูก การผลิตที่ปรับขนาดได้ ต้นทุนสูงของโลหะมีค่า การแปรรูปวัสดุที่ทำจากคาร์บอนที่ซับซ้อน-
ความเข้ากันได้ของกระบวนการ สามารถตัดและขึ้นรูปได้โดยตรง เข้ากันได้กับการผลิตแบบม้วน-ถึง- วัสดุที่เปราะ (เช่น เซรามิก) แปรรูปได้ยาก

4. ความท้าทายและทิศทางการปรับปรุง
แม้จะมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ แต่โฟมนิกเกิลยังคงต้องได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม:
1. ข้อจำกัดเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด: ปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ จึงกัดกร่อนได้ง่ายภายใต้สภาวะที่เป็นกรด
2. กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาที่ได้รับการปรับปรุง: ปรับปรุงกิจกรรมภายในผ่านการวัดขนาดนาโน- การเติม (เช่น Co, Mo) หรือวัสดุสองมิติเชิงประกอบ (เช่น กราฟีน)
3. ความเสถียรในระยะยาว-: การวิวัฒนาการของก๊าซอย่างต่อเนื่องอาจนำไปสู่การพังทลายของโครงสร้าง และการออกแบบโครงสร้างรูพรุนจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม

โวลต์ บทสรุป
Foamed nickel iron has become a highly competitive electrode material in alkaline water electrolysis hydrogen production due to its unique three-dimensional porous structure, high conductivity, low cost and easy processing. Especially in the scenario of industrial-grade high current density (>500 mA/ซม.²) ข้อได้เปรียบด้านการถ่ายโอนมวลและความเสถียรมีความโดดเด่นมากกว่า ในอนาคต คาดว่าจะสามารถลดช่องว่างกิจกรรมให้แคบลงด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า และส่งเสริมการนำเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ ด้วยการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและการปรับโครงสร้างให้เหมาะสม