西工大Nano Letters：超牛！利用3d打印实现高效稳定电解水！

不断增长的能源需求，加上传统化石燃料的减少，使人们坚定地把重点放在可持续的清洁能源以及能妥善储存和利用这些丰富但可变的可再生能源的方法上。作为进一步的解决方案，脱碳工业和社会的迫切需求使得氢气的制备尤为重要。

氢，尽管像分子一样小，但是每单位质量产生的能量是传统能源的2.5倍，并且已经被探索了很长时间。更具体地说，电解水被认为是最有希望的可持续制氢方法之一。对于由析氢反应(HER)和析氧反应(OER)组成的电解水，其反应过电位是决定效率的主要因素。由于受到半反应(OER过程)和气体释放过程的限制，电解水过程还面临着一定的挑战。

基于此，西北工业大学官操和黄维院士(共同通讯)等人报道了一种具有合理周期结构和表面化学特性的3D打印Ni电极(3DP Ni)，其具有宏观有序的孔隙可以实现反应气体快速释放。

采用三电极体系在1 M KOH中测试了3DP Ni、MoNi₄-MoO₂/3DP Ni和NiFe LDH/3DP Ni的电化学性能。3DP Ni和MoNi₄-MoO₂/3DP Ni分别需要239和104 mV就可以达到500 mA cm^-2的高电流密度，远低于纯泡沫镍(NF，430 mV)和MoNi₄-MoO₂/NF(176 mV)。

另外，实际产氢速率与理论值一致。MoNi₄-MoO₂/3DP Ni电极的电化学活性面积(ECSA)也比MoNi₄-MoO₂/NF大得多。纯3DP Ni的Tafel斜率为87.4 mV dec^-1，而MoNi₄-MoO₂/3DP Ni的Tafel斜率进一步降低为45 mV dec^-1。电化学测试结果表明，与MoNi₄-MoO₂/NF相比，由于具有多孔结构和较大的催化活性表面积的MoNi₄-MoO₂/3DP Ni表现出更优越的HER性能，也超过了以往报道的大多数HER催化剂。MoNi₄-MoO₂/3DP Ni也表现出了显著的稳定性，在500 mA cm^-2的大电流密度下，经过25小时的稳定性测试后，仅观察到25 mV的电压衰减。

关于OER性能，在500 mA cm^-2的电流密度下，NiFe LDH/3DP Ni的过电位为310 mV，远低于3DP Ni(470 mV)，也与最近报道的催化剂性能相当。同时，NiFe LDH/3DP Ni表现出较大的ECSA和37 mV dec^-1的低Tafel斜率，表明其具有更有利的OER过程。3DP镍基电极在HER和OER中均比NF基电极具有更低的电荷转移电阻，进一步证实了多孔结构的优点。同样，在500 mA cm^-2的OER大电流密度下，NiFe LDH/3DP Ni表现出无与伦比的高稳定性，这优于NiFe LDH/NF。

考虑到优异的电化学性能和气泡轨迹等所有因素，本文制备了一个全3D打印的电解槽(包括电极、膜和电解槽)。特别的是，本文打印了一种双功能膜，以防止产生的H₂和O₂气体的混合。双功能膜为羟基离子创造了一个单行道，从而促进生成的H₂和O₂之间的有效分离。

研究发现，MoNi₄-MoO₂/3DP Ni||NiFe LDH/3DP Ni电解槽只需要1.63 V的电压就可以提供500 mA cm^-2的电流密度，而MoNi₄-MoO₂/NF||NiFe LDH/NF需要的电压较大(1.77 V)。对于3DP Ni基电解槽，除了电压较低外，气泡的释放速度也较快。

更重要的是，MoNi₄-MoO₂/3DP Ni||NiFe LDH/3DP Ni电解槽也表现出长期的稳定性。在500 mA cm^-2的高电流密度下，在测试24小时和1000小时后，MoNi₄-MoO₂/3DP Ni||NiFe LDH/3DP Ni电解槽的电压分别增加了32和86 mV，低过电位实现工业所需的电流密度和高稳定性也优于近期报道的催化剂。催化剂优异的稳定性可以归因于有利于电解质和气体传输的分层多孔结构以及缓冲气泡脱离引起的应力/张力和体积膨胀的内部空腔。因此，基于3D打印制备的催化剂具有高活性、高稳定性，可以满足实际工业应用的要求，也为可再生能源的规模化生产提供可行的方法。

Highly efficient all-3D-printed electrolyzer toward ultrastable water electrolysis, Nano Letters, 2023, DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04380.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04380.

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