近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院唐志永研究員和張潔副研究員所帶領(lǐng)的工程科學(xué)團(tuán)隊(duì)，在3D打印技術(shù)制備整體式鎳基堿性電解制氫電極研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Direct Photo-curing 3D Printing of Nickel-based Electrocatalysts for Highly-efficient Hydrogen Evolution”為題發(fā)表在國(guó)際頂尖的能源材料期刊Nano Energy。論文的第一作者為上海高等研究院的韓兆璟博士研究生。 

可再生能源電解水制氫作為眾多產(chǎn)氫路徑中碳排放最低的工藝，可有效推動(dòng)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)。目前，堿性電解為最成熟的電解技術(shù)，占據(jù)綠氫生產(chǎn)主導(dǎo)地位，可將可再生能源整合至終端，助力各行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳。作為堿性電解水制氫的關(guān)鍵步驟，電催化析氫反應(yīng)過(guò)電位大、能耗高，需要高效催化劑。貴金屬鉑是目前性能最佳的析氫催化劑，但其高成本制約了大規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。因此，發(fā)展高活性和高穩(wěn)定性的非貴金屬堿性析氫催化劑以滿足日益增長(zhǎng)的綠氫需求具有重要意義。 

在此背景下，研究團(tuán)隊(duì)首次提出了一種利用光固化3D打印技術(shù)直接制備整體式鎳基堿性電解催化劑的新策略。光固化3D打印技術(shù)制造成本遠(yuǎn)低于選擇性激光熔化 (SLM) 金屬3D打印，而幾何自由度和打印精度又遠(yuǎn)高于直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）3D打印。基于該技術(shù)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確調(diào)控打印漿料組分和優(yōu)化后處理過(guò)程，制備了一系列整體式鈦摻雜鎳基電極，獲得了具有獨(dú)特鎳鈦合金3D立方結(jié)構(gòu)的多孔電極表面。該立方結(jié)構(gòu)與鎳基底具有很強(qiáng)的交互作用，可大大提升電催化劑的比表面積，暴露活性中心，進(jìn)而提升催化活性。研究表明，該3D打印鎳基電極呈現(xiàn)出卓越的析氫性能：在1 M的KOH溶液中，僅需34 mV的超小過(guò)電位即可達(dá)到10 mA？cm-2的電流密度。這一表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)商用鉑碳電極，不亞于目前文獻(xiàn)報(bào)道的最優(yōu)秀貴金屬析氫催化劑，后續(xù)還可繼續(xù)優(yōu)化電極三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升其析氫性能。此外，得益于3D打印直接一體成型工藝，該整體式電極表現(xiàn)出了良好的工作穩(wěn)定性。 

該研究工作成功開(kāi)發(fā)了一種高活性的3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎳基電極制備方法，為研發(fā)高效穩(wěn)定且廉價(jià)的整體式鎳基堿性析氫催化劑提供了新路徑，將提升堿性電解制氫能量轉(zhuǎn)化效率，推動(dòng)大規(guī)模電解水制氫工業(yè)化過(guò)程，并且可作為一種普適的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)非貴金屬催化劑的快速精準(zhǔn)智能制造。該工作獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。 

文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107615 

圖1. 3D打印制備整體式鎳基堿性析氫電極過(guò)程 

圖2. 3D打印鎳基堿性析氫電極SEM及XRD表征結(jié)果 

圖3. 3D打印鎳基電極的電解水性能