3D 打印在电催化方面的应用

作者：李聪荣
来源：能源学人

目前，3D 打印技术在电化学领域，尤其是在电催化合成化学原料和可再生燃料方面的研究正持续升温。3D打印在复杂而特殊的设计方面拥有高度的灵活性，因而在加工领域具有划时代的意义。近些年，大量的快速成型材料和设备的开发，更是极大地缩小了电催化材料及设备在实验室理想条件和工业生产中的差距。澳大利亚伍伦贡大学的李聪荣和 Gordon Wallace 等人以“3D printing forelectrocatalytic applications”为题在Joule上发表综述，详细讲述了3D 打印技术在电催化领域的优势， 开发潜力，发展限制因素及前景。该综述从未来的电极尺寸，打印分辨率，以及成本等角度展开分析， 研究了3D打印电极的后处理及电催化设备的制造策略，展望了3D打印这一快速成型技术在电催化反应及其反应界面领域的发展前景。

3D打印，作为一种先进制造技术，为可持续能源生产设备的生产提供了一种极具吸引力的环保路线。它可以实现快速设计成型，避免了对生产设备的改造。这一快速成型的方法有望加速产品的开发，并为电催化领域的基础研究提供新的结构设计。3D打印在电催化领域与其他领域不同的是，高度跨学科，材料自身复杂性，化学，催化界面，以及电催化所需规模和少量定制等挑战则意味着3D打印技术在电催化领域需要长期的研究和开发。作者预测，在不久的将来，随着打印技术的进步，人类对印刷材料性能将会有进一步了解，3D打印组件会与大型设备相结合，从而使3D打印与传统方式生产的部件相协调。然而，开发完全依赖打印的、大规模的、可持续的能源设备并使其标准化还需要一段时间。

3D打印技术的快速发展在包括电催化反应装置制造等领域拥有新的前景。3D打印技术在电催化领域的作用首先体现在概念验证设备中。电催化领域涉及大规模的化学反应。通过优化，这些设备可以实现大规模、低成本、高产量。与此同时，在基础研究领域，新的概念设计也可以通过3D打印来验证。需要指出的是，将3D打印制造的反应器用于大规模生产需要创造性的工程解决方案，而目前这仍是一个巨大的挑战。

性能好的电催化材料往往需要纳米级的结构及相关性能，来达到高反应活性和高比表面积。但目前的打印技术的分辨率远不到纳米量级，这严重限制了3D打印技术在电催化中的应用。然而，后处理步骤，如合金化-去合金化、去模板化、阳极氧化及电沉积等方案能够打破这些限制。新技术，新改性方法正在为亚微级的金属基电子材料的制备提供新的方向。未来的技术将把实验室容易合成的纳米催化剂用于打印，这会有助于克服3D打印材料低分辨率和商业化困难等限制， 同时为电催化领域提供变革性的一步制备纳米级材料的方法。目前的高粘度导电墨水的挤出打印技术的总体打印分辨率有待提高，且电催化性能有待验证，但已经很接近理想结构。

目前，电催化中的反应器和其他非电导部件的打印已经达到了技术相对成熟的阶段。这是因为这些打印的材料多是聚合物材料，且反应器所需的复杂程度要低于导电的电极材料。大多数电催化剂的最佳反应活性往往发生在高pH或低pH区域或有机溶剂中。但局限性在于，并非所有材料都能承受这种极端的条件。聚合物材料中的添加剂（通常在商品成分中没有提到）也可能会对化学稳定性造成不利影响。此外，在膜材料制备领域，用于分隔电解池的阴极和阳极的3D打印膜材料也是研究的热点。这一前景主要涉及工业上的无机盐基电催化系统。其他类型的催化剂的打印，比如生物酶，则在打印方面需要考虑锚定手段、基质的生物相容性、酶的特异性以及长期稳定性。

总之，电极的开发、反应器的设计、电催化剂以及膜材料等都可以与3D打印技术相结合，实现电催化反应器的一站式制造。在电催化性能测试中，3D打印能实现快速构建和组装，从而有可能加速功能产品和新结构的开发。电催化要求有先进的3D打印技术及相关的后处理技术。因此，新颖的电极及反应器的设计，先进的打印技术，以及我们对打印材料的物理化学性能、机械性能及相应的功能的深入理解，都对下一代3D打印电催化组件的开发有重要意义。然而，有别于传统的设计模型，且真正具有创新性的反应器和电极材料的设计还有待考察。这一系统应该会为电催化带来突破，但单纯依靠打印制造的反应器和电极材料，则会价格不菲。



通讯作者简介
李聪荣博士，在澳大利亚莫纳什大学获得电化学博士学位。毕业后曾在德国埃尔兰根-纽伦堡大学和英国剑桥大学做博士后研究。他于2015年获得澳大利亚伍伦贡大学Vice Chancellor’s Research Fellowship。目前他主要从事电化学，纳米材料，金属酶，催化，太阳能和3D打印等方面的研究，利用电化学，光催化，和光电化学等方法活化H2O, O2, 和 CO2 等小分子以获得再生能源。

Gordon Wallace 教授是澳大利亚伍伦贡大学的终身教授，澳大利亚研究委员会电化学卓越研究中心（Australian Research Council Centre of Excellence for Electromaterials Science）研究执行主任，智能聚合物研究所（Intelligent Polymer Research Institute）所长。曾是澳大利亚研究委员会桂冠和联邦院士（ARC Laureate and Federation Fellows）。他主要从事有机导体、纳米材料和电化学探针分析方法，以及用于能源和健康的3D打印。