触媒電極の加工において、三次元多孔質ニッケルフォーム基材はどのような機能を持っていますか？

三次元多孔質ニッケルフォームは、高効率の集電体および電気化学的性能を最大化するように設計された構造基材として機能します。これは、高エントロピー酸化物触媒の表面積、物質輸送、および電気伝導性を大幅に向上させる独自のオープンセル構造を提供することにより、平面電極の物理的限界に対処します。

コアの要点：ニッケルフォームは、触媒負荷のための十分なスペースを提供し、ガスと流体の移動のための経路を作成し、電極全体の低抵抗電気接続を確保するという3つの問題を同時に解決することにより、高性能電極の重要な実現要因として機能します。

性能向上のメカニズム

高エントロピー材料触媒電極の加工におけるニッケルフォームの有用性は、3つの特定の物理的特性に依存しています。

この基材の主な物理的利点は、独自のオープンセル構造と高い多孔性です。

平坦な表面とは異なり、この三次元格子は巨大な幾何学的表面積を提供します。これにより、高エントロピー酸化物触媒の負荷容量が大幅に高くなり、反応に利用できる活性サイトの密度が高くなります。

酸素発生反応（OER）などの反応では、流体とガスの管理が重要です。

フォームは、二重の機能を持つスムーズなチャネルを提供します。これらは、電解質が電極構造に深く浸透するのを促進すると同時に、生成された酸素泡の急速な脱出のための明確な経路を作成し、活性サイトの閉塞を防ぎます。

触媒の効果は、電源への接続がどれだけうまくいくかによって制限されます。

ニッケルフォームは、優れた電気伝導性のフレームワークを作成します。これにより、電流が電極全体に迅速かつ均一に分布し、非常に低い過電圧を維持しながら高電流密度出力をサポートします。

ニッケルフォームは大きな利点を提供しますが、その性能は構造的完全性の維持に厳密に結びついています。

電極の効率は、チャネルの開放性に依存します。触媒負荷が過度に高密度になり、多孔質構造が詰まった場合、電解質浸透と泡脱出のためのスムーズなチャネルが損なわれ、フォームの物質輸送の利点が無効になります。

システムは、フォームが広範な集電体として機能することに依存しています。高エントロピー酸化物とニッケル表面の界面は堅牢であり続ける必要があります。接着不良または酸化物層の過度の厚さは、ニッケルフォームが促進するように設計されている迅速な電流分布を妨げる可能性があります。

高エントロピー材料で電極を設計する際は、ニッケルフォームの特定の特性がパフォーマンス目標とどのように一致するかを検討してください。

主な焦点が反応速度の場合：フォームの高い多孔性を活用して触媒負荷を最大化し、単位体積あたりの活性サイト数を可能な限り高くします。
主な焦点がガス発生反応における安定性の場合：フォームのオープンセル構造を利用して、酸素泡の急速な脱出を促進し、機械的ストレスや表面のマスキングを防ぎます。
主な焦点がエネルギー効率の場合：フォームの優れた伝導性を利用して、過電圧を最小限に抑え、動作中の均一な電流密度を確保します。

三次元多孔質ニッケルフォームは、触媒を保持するだけでなく、電極の流体および電気回路のアクティブコンポーネントです。

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Chiung-Wen Chang, Shih‐Yuan Lu. High performance anion exchange membrane water electrolysis driven by atomic scale synergy of non-precious high entropy catalysts. DOI: 10.20517/energymater.2025.5

この記事は、以下の技術情報にも基づいています Kintek Press ナレッジベース .