3D打印多級多孔碳基電極的研究挑戰(zhàn)與突破方向

3D打印多級多孔碳基電極原位生長高負載非貴金屬催化劑并保持高質(zhì)量活性，是開發(fā)廉價高性能電催化電極的關(guān)鍵路徑。然而，當(dāng)前該方法存在三大挑戰(zhàn)：①原位生長催化劑的技術(shù)手段單一；②多級孔結(jié)構(gòu)與傳質(zhì)性能的關(guān)聯(lián)機制未明；③不同催化劑負載下3D電極的普遍性優(yōu)勢待驗證。這些均是3D打印電極在電解水領(lǐng)域需突破的核心問題。

實驗設(shè)計與表征方法

研究采用3D打印技術(shù)制備微觀開孔3D PG/C與微觀閉孔3D PG/C'電極，通過水熱合成法負載NiCoP催化劑形成3D PG/C/NiCoP與3D PG/C'/NiCoP電極，系統(tǒng)探究多孔結(jié)構(gòu)對材料生長及催化性能的影響。具體表征手段包括：

• 形貌與結(jié)構(gòu)分析：SEM觀察開孔/閉孔電極內(nèi)外表面材料生長狀態(tài)；XRD、XPS解析材料晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成。
• 電化學(xué)性能測試：對比3D PG/C/NiCoP與商業(yè)碳紙負載NiCoP的析氫過電位及Tafel斜率，驗證3D多級孔電極在堿性電解液中的催化優(yōu)勢。

傳質(zhì)性能與催化性能的構(gòu)效關(guān)系研究

進一步通過電化學(xué)沉積法在石墨烯表面原位生長Ni-NiO納米片，調(diào)控電極層數(shù)與沉積時間優(yōu)化合成條件。結(jié)合SEM、XPS、XRD表征Ni-NiO形貌與組成，并通過濃度調(diào)控與菲克定律計算，定量分析開孔/閉孔電極的傳質(zhì)通量差異。實驗證實：開孔電極顯著促進傳質(zhì)過程，其負載的3D PG/C/Ni-NiO在堿性條件下表現(xiàn)出更低的析氫過電位與Tafel斜率，不僅驗證了開孔結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)優(yōu)勢，更佐證了多級多孔3D PG/C電極在負載不同催化劑時具備普遍性性能優(yōu)勢。

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