上海高研院在3D打印镍基碱性电解水制氢电极研究方面取得重要进展

2022年8月11日，南极熊获悉，近日中国科学院上海高等研究院唐志永研究员和张洁副研究员所带领的工程科学团队，在3D打印技术制备整体式镍基碱性电解制氢电极研究中取得重要进展，研究成果以“Direct Photo-curing 3D Printing of Nickel-based Electrocatalysts for Highly-efficient Hydrogen Evolution”为题发表在国际顶尖的能源材料期刊《Nano Energy》（IF =19.07）。

随着化石燃料资源的稀缺和温室气体的过量生产，氢作为一种可再生的清洁能源引起了科研人员的极大兴趣。碱水电解制氢(AWE)具有产品纯度高、成熟度高、机械性好、无温室气体排放等优点成为目前电解水最成熟，应用最广泛的技术。作为碱性电解水制氢的关键步骤，电催化析氢反应过电位大、能耗高一直是制约大规模化工业应用的根本原因。

在此背景下，研究团队首次提出了一种利用光固化3D打印技术直接制备整体式镍基碱性电解催化剂的新策略。该项研究工作以光固化3D打印技术制备镍基电极，通过调控浆料的组成配比，调整催化剂表面的形态机构，成功的自生成了块状多孔的催化剂。通过SEM观察，催化剂的尺寸大约在250nm，形态稳定，催化剂排列有序。该立方结构与镍基底具有很强的交互作用，可大大提升电催化剂的比表面积，暴露活性中心，进而提升催化活性。在进行元素分析时，我们发现Ti对Ni的无定形参杂，显著改变了Ni d轨道的电子态。从而有利于HER过程的进行。

△镍基电极DLP 3D打印原理图以及催化剂结构示意图

通过一系列的后处理操作，材料在催化性能上达到了在1 M的KOH溶液中，仅需34 mV的超小过电位即可达到10 mA•cm-2的电流密度。这一表现优于传统商用铂碳电极，不亚于目前文献报道的最优秀贵金属析氢催化剂。同时，因为催化剂与衬底的良好结合，在高电流密度下长时间电解100h后，催化性能依旧稳定。同时，通过对电解后材料的XRD，XPS等检测，发现材料结构依旧良好。表明了用这种打印方法生成的催化剂具有良好的催化性能和机械稳定性。

据研究人员介绍：“由于镍基氧化物折射率较高，所以对打印过程中光源的性能具有较高的要求，同时打印浆料的流变性能相对较差，对设备的刮刀系统也提出了较高需求。乾度CeraLab S90具有稳定、强劲的紫外光源以及可靠的刮刀系统能很好地应用于该项研究。”作为科研型设备，S90可以利用较少的材料进行快速验证，深受广大科研工作者的青睐。在第一次成功间接打印Ni金属之后，可以借助3D打印本身固有的优势打印仿生电极或者静态混合器等较为复杂的结构。将反应的重点放在流体和气泡脱除上，这当然对打印技术也有了比较高的要求。除此之外，乾度智造CeraStation 160系列产品还可应用于相关材料的大规模量产，为进一步工业化提供了可能。

△催化剂性能表征 a）LSV曲线；b）催化剂性能比较；c）Tafel曲线

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