3D 打印在電催化方面的應(yīng)用

作者：李聰榮
來源：能源學(xué)人

目前，3D 打印技術(shù)在電化學(xué)領(lǐng)域，尤其是在電催化合成化學(xué)原料和可再生燃料方面的研究正持續(xù)升溫。3D打印在復(fù)雜而特殊的設(shè)計方面擁有高度的靈活性，因而在加工領(lǐng)域具有劃時代的意義。近些年，大量的快速成型材料和設(shè)備的開發(fā)，更是極大地縮小了電催化材料及設(shè)備在實驗室理想條件和工業(yè)生產(chǎn)中的差距。澳大利亞伍倫貢大學(xué)的李聰榮和 Gordon Wallace 等人以“3D printing forelectrocatalytic applications”為題在Joule上發(fā)表綜述，詳細(xì)講述了3D 打印技術(shù)在電催化領(lǐng)域的優(yōu)勢， 開發(fā)潛力，發(fā)展限制因素及前景。該綜述從未來的電極尺寸，打印分辨率，以及成本等角度展開分析， 研究了3D打印電極的后處理及電催化設(shè)備的制造策略，展望了3D打印這一快速成型技術(shù)在電催化反應(yīng)及其反應(yīng)界面領(lǐng)域的發(fā)展前景。

3D打印，作為一種先進制造技術(shù)，為可持續(xù)能源生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)提供了一種極具吸引力的環(huán)保路線。它可以實現(xiàn)快速設(shè)計成型，避免了對生產(chǎn)設(shè)備的改造。這一快速成型的方法有望加速產(chǎn)品的開發(fā)，并為電催化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究提供新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。3D打印在電催化領(lǐng)域與其他領(lǐng)域不同的是，高度跨學(xué)科，材料自身復(fù)雜性，化學(xué)，催化界面，以及電催化所需規(guī)模和少量定制等挑戰(zhàn)則意味著3D打印技術(shù)在電催化領(lǐng)域需要長期的研究和開發(fā)。作者預(yù)測，在不久的將來，隨著打印技術(shù)的進步，人類對印刷材料性能將會有進一步了解，3D打印組件會與大型設(shè)備相結(jié)合，從而使3D打印與傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的部件相協(xié)調(diào)。然而，開發(fā)完全依賴打印的、大規(guī)模的、可持續(xù)的能源設(shè)備并使其標(biāo)準(zhǔn)化還需要一段時間。

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展在包括電催化反應(yīng)裝置制造等領(lǐng)域擁有新的前景。3D打印技術(shù)在電催化領(lǐng)域的作用首先體現(xiàn)在概念驗證設(shè)備中。電催化領(lǐng)域涉及大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)。通過優(yōu)化，這些設(shè)備可以實現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高產(chǎn)量。與此同時，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，新的概念設(shè)計也可以通過3D打印來驗證。需要指出的是，將3D打印制造的反應(yīng)器用于大規(guī)模生產(chǎn)需要創(chuàng)造性的工程解決方案，而目前這仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

性能好的電催化材料往往需要納米級的結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能，來達到高反應(yīng)活性和高比表面積。但目前的打印技術(shù)的分辨率遠不到納米量級，這嚴(yán)重限制了3D打印技術(shù)在電催化中的應(yīng)用。然而，后處理步驟，如合金化-去合金化、去模板化、陽極氧化及電沉積等方案能夠打破這些限制。新技術(shù)，新改性方法正在為亞微級的金屬基電子材料的制備提供新的方向。未來的技術(shù)將把實驗室容易合成的納米催化劑用于打印，這會有助于克服3D打印材料低分辨率和商業(yè)化困難等限制， 同時為電催化領(lǐng)域提供變革性的一步制備納米級材料的方法。目前的高粘度導(dǎo)電墨水的擠出打印技術(shù)的總體打印分辨率有待提高，且電催化性能有待驗證，但已經(jīng)很接近理想結(jié)構(gòu)。

目前，電催化中的反應(yīng)器和其他非電導(dǎo)部件的打印已經(jīng)達到了技術(shù)相對成熟的階段。這是因為這些打印的材料多是聚合物材料，且反應(yīng)器所需的復(fù)雜程度要低于導(dǎo)電的電極材料。大多數(shù)電催化劑的最佳反應(yīng)活性往往發(fā)生在高pH或低pH區(qū)域或有機溶劑中。但局限性在于，并非所有材料都能承受這種極端的條件。聚合物材料中的添加劑（通常在商品成分中沒有提到）也可能會對化學(xué)穩(wěn)定性造成不利影響。此外，在膜材料制備領(lǐng)域，用于分隔電解池的陰極和陽極的3D打印膜材料也是研究的熱點。這一前景主要涉及工業(yè)上的無機鹽基電催化系統(tǒng)。其他類型的催化劑的打印，比如生物酶，則在打印方面需要考慮錨定手段、基質(zhì)的生物相容性、酶的特異性以及長期穩(wěn)定性。

總之，電極的開發(fā)、反應(yīng)器的設(shè)計、電催化劑以及膜材料等都可以與3D打印技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電催化反應(yīng)器的一站式制造。在電催化性能測試中，3D打印能實現(xiàn)快速構(gòu)建和組裝，從而有可能加速功能產(chǎn)品和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)。電催化要求有先進的3D打印技術(shù)及相關(guān)的后處理技術(shù)。因此，新穎的電極及反應(yīng)器的設(shè)計，先進的打印技術(shù)，以及我們對打印材料的物理化學(xué)性能、機械性能及相應(yīng)的功能的深入理解，都對下一代3D打印電催化組件的開發(fā)有重要意義。然而，有別于傳統(tǒng)的設(shè)計模型，且真正具有創(chuàng)新性的反應(yīng)器和電極材料的設(shè)計還有待考察。這一系統(tǒng)應(yīng)該會為電催化帶來突破，但單純依靠打印制造的反應(yīng)器和電極材料，則會價格不菲。



通訊作者簡介
李聰榮博士，在澳大利亞莫納什大學(xué)獲得電化學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后曾在德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)和英國劍橋大學(xué)做博士后研究。他于2015年獲得澳大利亞伍倫貢大學(xué)Vice Chancellor’s Research Fellowship。目前他主要從事電化學(xué)，納米材料，金屬酶，催化，太陽能和3D打印等方面的研究，利用電化學(xué)，光催化，和光電化學(xué)等方法活化H2O, O2, 和 CO2 等小分子以獲得再生能源。

Gordon Wallace 教授是澳大利亞伍倫貢大學(xué)的終身教授，澳大利亞研究委員會電化學(xué)卓越研究中心（Australian Research Council Centre of Excellence for Electromaterials Science）研究執(zhí)行主任，智能聚合物研究所（Intelligent Polymer Research Institute）所長。曾是澳大利亞研究委員會桂冠和聯(lián)邦院士（ARC Laureate and Federation Fellows）。他主要從事有機導(dǎo)體、納米材料和電化學(xué)探針分析方法，以及用于能源和健康的3D打印。