上海高研院在3D打印鎳基堿性電解水制氫電極研究方面取得重要進(jìn)展

2022年8月11日，南極熊獲悉，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》（IF =19.07）。

隨著化石燃料資源的稀缺和溫室氣體的過(guò)量生產(chǎn)，氫作為一種可再生的清潔能源引起了科研人員的極大興趣。堿水電解制氫(AWE)具有產(chǎn)品純度高、成熟度高、機(jī)械性好、無(wú)溫室氣體排放等優(yōu)點(diǎn)成為目前電解水最成熟，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。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、能耗高一直是制約大規(guī)�；�工業(yè)應(yīng)用的根本原因。

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。該項(xiàng)研究工作以光固化3D打印技術(shù)制備鎳基電極，通過(guò)調(diào)控漿料的組成配比，調(diào)整催化劑表面的形態(tài)機(jī)構(gòu)，成功的自生成了塊狀多孔的催化劑。通過(guò)SEM觀察，催化劑的尺寸大約在250nm，形態(tài)穩(wěn)定，催化劑排列有序。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。在進(jìn)行元素分析時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)Ti對(duì)Ni的無(wú)定形參雜，顯著改變了Ni d軌道的電子態(tài)。從而有利于HER過(guò)程的進(jìn)行。

△鎳基電極DLP 3D打印原理圖以及催化劑結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)一系列的后處理操作，材料在催化性能上達(dá)到了在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。同時(shí)，因?yàn)榇呋瘎┡c襯底的良好結(jié)合，在高電流密度下長(zhǎng)時(shí)間電解100h后，催化性能依舊穩(wěn)定。同時(shí)，通過(guò)對(duì)電解后材料的XRD，XPS等檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)依舊良好。表明了用這種打印方法生成的催化劑具有良好的催化性能和機(jī)械穩(wěn)定性。

據(jù)研究人員介紹：“由于鎳基氧化物折射率較高，所以對(duì)打印過(guò)程中光源的性能具有較高的要求，同時(shí)打印漿料的流變性能相對(duì)較差，對(duì)設(shè)備的刮刀系統(tǒng)也提出了較高需求。乾度CeraLab S90具有穩(wěn)定、強(qiáng)勁的紫外光源以及可靠的刮刀系統(tǒng)能很好地應(yīng)用于該項(xiàng)研究�！弊鳛榭蒲行驮O(shè)備，S90可以利用較少的材料進(jìn)行快速驗(yàn)證，深受廣大科研工作者的青睞。在第一次成功間接打印Ni金屬之后，可以借助3D打印本身固有的優(yōu)勢(shì)打印仿生電極或者靜態(tài)混合器等較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。將反應(yīng)的重點(diǎn)放在流體和氣泡脫除上，這當(dāng)然對(duì)打印技術(shù)也有了比較高的要求。除此之外，乾度智造CeraStation 160系列產(chǎn)品還可應(yīng)用于相關(guān)材料的大規(guī)模量產(chǎn)，為進(jìn)一步工業(yè)化提供了可能。

△催化劑性能表征 a）LSV曲線；b）催化劑性能比較；c）Tafel曲線

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