Metal Oxides/Chalcogenides and Composites: Emerging Materials for Electrochemical Water Splitting

این کتاب توسعه اخیر اکسیدهای فلزی، هیدروکسیدها و کامپوزیت های کربنی آنها را برای اکسیداسیون الکتروشیمیایی آب در تولید هیدروژن و اکسیژن به عنوان سوخت پوشش می دهد. این شامل یک بحث مفصل در مورد روش‌های سنتز برای اکسید/هیدروکسیدهای فلزی، خصوصیات ساختاری/مورفولوژیکی، و پارامترهای کلیدی (نقاط تافل، فرکانس گردش، راندمان فارادیک، مازاد پتانسیل، عمر چرخه طولانی و غیره) مورد نیاز برای ارزیابی فعالیت الکتروکاتالیستی است. مواد. علاوه بر این، مکانیسمی که در پس فرآیند الکترواکسیداسیون قرار دارد ارائه شده است. خوانندگان منبع جامعی در مورد همبستگی نزدیک بین اکسیدهای فلزی، هیدروکسیدها، کامپوزیت ها، و خواص و اهمیت آنها در تولید هیدروژن و اکسیژن از آب خواهند یافت.

کاهش سوخت های فسیلی از پوسته زمین، و مسائل زیست محیطی مرتبط مانند تغییرات آب و هوا، ایجاب می کند که به دنبال منابع انرژی جایگزین برای دستیابی به نوعی آینده پایدار باشیم. در این راستا، تحقیقات علمی زیادی به فناوری‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی، توربین‌های بادی، پیل‌های سوختی و غیره اختصاص یافته است که در این میان سلول‌های سوختی به دلیل تطبیق پذیری و کارایی خود توجه زیادی را به خود جلب می‌کنند. در پیل‌های سوختی از سوخت‌های مختلفی مانند هیدروژن، CO2، الکل‌ها، اسیدها، متان، اکسیژن/هوا و غیره به عنوان سوخت استفاده می‌شود و از کاتالیزورها برای تولید واکنش شیمیایی برای تولید برق استفاده می‌شود. از این رو، تولید این سوخت ها به شیوه ای کارآمد، سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه بسیار مهم است. تقسیم الکتروشیمیایی آب یک فرآیند سازگار با محیط زیست برای تولید هیدروژن (سوخت سبزتر مورد استفاده در پیل های سوختی) است، اما کارایی این واکنش های تکامل هیدروژن (واکنش نیمه کاتدی) به شدت به واکنش نیمه آندی (واکنش تکامل اکسیژن) وابسته است. یعنی هر چه نیمه آندی بهتر باشد، واکنش کاتدی بهتر خواهد بود. علاوه بر این، این واکنش تکاملی اکسیژن به انواع الکتروکاتالیست‌های فعال مورد استفاده بستگی دارد. اگرچه روش‌های مصنوعی بیشتری مورد بررسی قرار گرفته‌اند و الکتروکاتالیست‌های مختلف توسعه یافته‌اند، نانومواد و کامپوزیت‌های مبتنی بر اکسید و هیدروکسید (با گرافن، نانولوله‌های کربنی و غیره) عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. این ممکن است به دلیل در دسترس بودن سطح کاتالیزوری بیشتر و مراکز الکترو اکتیو برای انجام فرآیند کاتالیز باشد.

This book covers the recent development of metal oxides, hydroxides and their carbon composites for electrochemical oxidation of water in the production of hydrogen and oxygen as fuels. It includes a detailed discussion on synthesis methodologies for the metal oxides/hydroxides, structural/morphological characterizations, and the key parameters (Tafel plot, Turnover frequency, Faradic efficiency, overpotential, long cycle life etc.) needed to evaluate the electrocatalytic activity of the materials. Additionally, the mechanism behind the electro oxidation process is presented. Readers will find a comprehensive source on the close correlation between metal oxides, hydroxides, composites, and their properties and importance in the generation of hydrogen and oxygen from water.

The depletion of fossil fuels from the earth’s crust, and related environmental issues such as climate change, demand that we search for alternative energy resources to achieve some form of sustainable future. In this regard, much scientific research has been devoted to technologies such as solar cells, wind turbines, fuel cells etc. Among them fuel cells attract much attention because of their versatility and efficiency. In fuel cells, different fuels such as hydrogen, CO2, alcohols, acids, methane, oxygen/air, etc. are used as the fuel, and catalysts are employed to produce a chemical reaction for generating electricity. Hence, it is very important to produce these fuels in an efficient, eco-friendly, and cost effective manner. The electrochemical splitting of water is an environmentally friendly process to produce hydrogen (the greener fuel used in fuel cells), but the efficiencies of these hydrogen evolution reactions (cathodic half reaction) are strongly dependent on the anodic half reaction (oxygen evolution reaction), i.e., the better the anodic half, the better will be the cathodic reaction. Further, this oxygen evolution reaction depends on the types of active electrocatalysts used. Though many more synthetic approaches have been explored and different electrocatalysts developed, oxide and hydroxide-based nanomaterials and composites (with graphene, carbon nanotubes etc.) show better performance. This may be due to the availability of more catalytic surface area and electro active centers to carry out the catalysis process.