近日，中國科學院上海高等研究院唐誌永研究員和張潔副研究員所帶領的工程科學團隊，在3D打印技術製備整體(ti) 式鎳基堿性電解製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(wei) 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(wei) 上海高等研究院的韓兆璟博士研究生。 

可再生能源電解水製氫作為(wei) 眾(zhong) 多產(chan) 氫路徑中碳排放最低的工藝，可有效推動碳達峰與(yu) 碳中和目標。目前，堿性電解為(wei) 最成熟的電解技術，占據綠氫生產(chan) 主導地位，可將可再生能源整合至終端，助力各行業(ye) 實現深度脫碳。作為(wei) 堿性電解水製氫的關(guan) 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，但其高成本製約了大規模化工業(ye) 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(yi) 。 

在此背景下，研究團隊首次提出了一種利用光固化3D打印技術直接製備整體(ti) 式鎳基堿性電解催化劑的新策略。光固化3D打印技術製造成本遠低於(yu) 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於(yu) 直接墨水書(shu) 寫(xie) （DIW）3D打印。基於(yu) 該技術，團隊通過精確調控打印漿料組分和優(you) 化後處理過程，製備了一係列整體(ti) 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麵。該立方結構與(yu) 鎳基底具有很強的交互作用，可大大提升電催化劑的比表麵積，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(jin) 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(you) 於(yu) 傳(chuan) 統商用鉑碳電極，不亞(ya) 於(yu) 目前文獻報道的最優(you) 秀貴金屬析氫催化劑，後續還可繼續優(you) 化電極三維結構，進一步提升其析氫性能。此外，得益於(yu) 3D打印直接一體(ti) 成型工藝，該整體(ti) 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打印複雜結構鎳基電極製備方法，為(wei) 研發高效穩定且廉價(jia) 的整體(ti) 式鎳基堿性析氫催化劑提供了新路徑，將提升堿性電解製氫能量轉化效率，推動大規模電解水製氫工業(ye) 化過程，並且可作為(wei) 一種普適的方法實現複雜三維結構非貴金屬催化劑的快速精準智能製造。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打印製備整體(ti) 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