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展

2022年8月11日，南極熊獲悉，近日中國科學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)的工程科學團隊，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、機械性好、無溫室氣體排放等優(yōu)點成為目前電解水最成熟，應用最廣泛的技術(shù)。作為堿性電解水制氫的關(guān)鍵步驟，電催化析氫反應過電位大、能耗高一直是制約大規(guī)�；�工業(yè)應用的根本原因。

在此背景下，研究團隊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。該項研究工作以光固化3D打印技術(shù)制備鎳基電極，通過調(diào)控漿料的組成配比，調(diào)整催化劑表面的形態(tài)機構(gòu)，成功的自生成了塊狀多孔的催化劑。通過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，進而提升催化活性。在進行元素分析時，我們發(fā)現(xiàn)Ti對Ni的無定形參雜，顯著改變了Ni d軌道的電子態(tài)。從而有利于HER過程的進行。

△鎳基電極DLP 3D打印原理圖以及催化劑結(jié)構(gòu)示意圖

通過一系列的后處理操作，材料在催化性能上達到了在1 M的KOH溶液中，僅需34 mV的超小過電位即可達到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，不亞于目前文獻報道的最優(yōu)秀貴金屬析氫催化劑。同時，因為催化劑與襯底的良好結(jié)合，在高電流密度下長時間電解100h后，催化性能依舊穩(wěn)定。同時，通過對電解后材料的XRD，XPS等檢測，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，所以對打印過程中光源的性能具有較高的要求，同時打印漿料的流變性能相對較差，對設備的刮刀系統(tǒng)也提出了較高需求。乾度CeraLab S90具有穩(wěn)定、強勁的紫外光源以及可靠的刮刀系統(tǒng)能很好地應用于該項研究�！弊鳛榭蒲行驮O備，S90可以利用較少的材料進行快速驗證，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)勢打印仿生電極或者靜態(tài)混合器等較為復雜的結(jié)構(gòu)。將反應的重點放在流體和氣泡脫除上，這當然對打印技術(shù)也有了比較高的要求。除此之外，乾度智造CeraStation 160系列產(chǎn)品還可應用于相關(guān)材料的大規(guī)模量產(chǎn)，為進一步工業(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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