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的工程科學團隊，在3D打印技術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”為題發表在國際頂尖的能源材料期刊Nano Energy。論文的第一作者為上海高等研究院的韓兆璟博士研究生。
可再生能源電解水制氫作為眾多產氫路徑中碳排放最低的工藝，可有效推動碳達峰與碳中和目標。目前，堿性電解為最成熟的電解技術，占據綠氫生產主導地位，可將可再生能源整合至終端，助力各行業實現深度脫碳。作為堿性電解水制氫的關鍵步驟，電催化析氫反應過電位大、能耗高，需要高效催化劑。貴金屬鉑是目前性能最佳的析氫催化劑，但其高成本制約了大規模化工業應用。因此，發展高活性和高穩定性的非貴金屬堿性析氫催化劑以滿足日益增長的綠氫需求具有重要意義。
在此背景下，研究團隊首次提出了一種利用光固化3D打印技術直接制備整體式鎳基堿性電解催化劑的新策略。光固化3D打印技術制造成本遠低于選擇性激光熔化 (SLM) 金屬3D打印，而幾何自由度和打印精度又遠高于直接墨水書寫（DIW）3D打印。基于該技術，團隊通過精確調控打印漿料組分和優化后處理過程，制備了一系列整體式鈦摻雜鎳基電極，獲得了具有獨特鎳鈦合金3D立方結構的多孔電極表面。該立方結構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。研究表明，該3D打印鎳基電極呈現出卓越的析氫性能：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。這一表現優于傳統商用鉑碳電極，不亞于目前文獻報道的最優秀貴金屬析氫催化劑，后續還可繼續優化電極三維結構，進一步提升其析氫性能。此外，得益于3D打印直接一體成型工藝，該整體式電極表現出了良好的工作穩定性。
該研究工作成功開發了一種高活性的3D打印復雜結構鎳基電極制備方法，為研發高效穩定且廉價的整體式鎳基堿性析氫催化劑提供了新路徑，將提升堿性電解制氫能量轉化效率，推動大規模電解水制氫工業化過程，并且可作為一種普適的方法實現復雜三維結構非貴金屬催化劑的快速精準智能制造。該工作獲得了科技部重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。
文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107615
圖1. 3D打印制備整體式鎳基堿性析氫電極過程
圖2. 3D打印鎳基堿性析氫電極SEM及XRD表征結果
圖3. 3D打印鎳基電極的電解水性能
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