Yat Li教授/朱诚博士/吴睿教授AEM: 3D打印电解水催化剂：“这次我们谈一谈气泡”- 大数跨境

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Yat Li教授/朱诚博士/吴睿教授AEM: 3D打印电解水催化剂：“这次我们谈一谈气泡”

科学材料站

2020-10-18

导读：该工作通过3D打印手段 (图1)实现了电极的有序孔结构，其孔结构方向与气泡所受浮力方向一致，从而创造了利于气泡快速输运并脱离电极的条件，为增强高电流密度下电极非本征活性、水分解制氢速率提供了新的思路。

文章信息

第一作者：寇天一

通讯作者：李轶, 朱诚，吴睿

单位：美国加州大学圣克鲁兹分校，劳伦斯利弗莫尔国家实验室, 上海交通大学

研究背景

相对于质子膜电解水，碱性介质下的水分解是一种相对低成本的制氢手段。近二十年来，纳米材料设计开发的手段不断增强，为碱性介质电解水提供了越来越多的廉价且高本征活性催化剂，并在较低电流密度下拥有突出的析氢析氧性能。然而为实现商用条件下的产氢，增加催化剂非本征活性以提高其在高电流密度下的水分解性能亦同等重要。

高电流密度意味着大量气泡的产生，而气泡占据活性位点将会阻碍电解质的有效接触并造成欧姆降，从而降低产氢速率。通常3D多孔结构电极，诸如商用泡沫镍，被用来增加活性比表面积和促进传质。但在高电流密度水分解条件下，无序孔结构的电极会对气泡运动产生阻碍，并在电极/电解质界面形成物理阻隔、减少有效活性位点数目和降低产氢速率。

文章简介

近日，加州大学圣克鲁兹分校Yat Li教授课题组联合劳伦斯利弗莫尔国家实验室朱诚博士和上海交通大学吴睿教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials刊发了题为“Periodic Porous 3D Electrodes Mitigate Gas Bubble Traffic during Alkaline Water Electrolysis at High Current Densities”的研究文章。

该工作通过3D打印手段 (图1)实现了电极的有序孔结构，其孔结构方向与气泡所受浮力方向一致，从而创造了利于气泡快速输运并脱离电极的条件，为增强高电流密度下电极非本征活性、水分解制氢速率提供了新的思路。

图1。镍基墨水及流变性质、3D打印实现催化剂有序孔结构示意图，以及电极形貌结构。

本文要点

要点一：气泡在3D电极结构中的输运通道

气泡在析氢析氧反应过程中于催化剂表面经历形核长大的步骤。当气泡尺寸增加到临界值，气泡与催化剂之间的粘附作用将会被增加的浮力克服，从而使得气泡脱离催化剂表面。避免气泡运动被电极结构阻碍对提升高电流密度下水分解性能有重要帮助。

气泡在所受浮力作用下向上运动的特点，使得设计与之运动方向匹配的输运通道有很大必要性。由此一来，该种通道将会促进电极内部气泡迅速输运脱离电极，并增加催化过程的传质。通过结合DIW (direct-ink-writing) 3D打印技术对电极结构的可控设计优势，可实现利于气泡输运的通道。

要点二：有序孔结构vs. 无序孔结构中的气泡输运

结合可视化实验，对气泡在3D有序和无序孔结构电极中的运动进行了分析对比。在无序孔结构中，气泡倾向于先在水平方向侵入穿透压力阈值较低的大孔结构。随着气泡压力增大，其开始在浮力辅助作用下沿着垂直面方向进行扩散。

相比而言，在有序孔结构中，由于存在垂直方向的气泡输运通道，气泡在内部运动时间大大缩短。气泡于两种电极结构中的运动特点，在多相模拟计算中得到进一步证实和分析。3D有序孔电极中气泡输运通道的存在，在促进气泡脱出的同时，也大大降低了气泡间的凝聚作用，从而保证了有效的电化学活性面积。

要点三：电化学性能

得益于3D电极的有序孔结构和较大的电化学活性面积，负载碳掺杂氧化镍双功能电解水催化剂使得其析氢析氧的总电极活性（total electrode activity）均高于无序电极析氢析氧组合，例如在1000 mA cm-2的几何电流密度下，其仅需要245 和 425 mV的析氢析氧过电位。

除此之外， 3D有序孔结构电极的电化学活性面积电流也高于无序结构组合，证实了该有序孔结构利于大电流条件下气泡的输运以维持有效的电化学活性位点。

文章链接

Periodic Porous 3D Electrodes Mitigate Gas Bubble Traffic during Alkaline Water Electrolysis at High Current Densities

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002955

通讯作者介绍

Yat Li 教授

加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学系教授。2002在香港大学取得博士学位。2003至2007年于哈佛大学博士后，师从著名纳米学科奠基人Charles M. Lieber教授。2007年加入加州大学圣克鲁兹分校担任助理教授， 2018年晋升教授。主要研究领域包括低维纳米材料的设计制备与其在能源与催化领域的应用。发表SCI论文145篇，他引逾27000次， h因子73。

朱诚博士

劳伦斯利弗莫尔国家实验室工程师。2010年在俄克拉荷马州立大学取得化工博士学位。主要研究兴趣集中在复杂流体流变学、DIW 3D打印技术、能源存储以及多相催化等。在Science Advances, Nature Communications, Nano Today等顶级期刊发表学术文章30余篇，引用2100多次，h因子19。

吴睿教授

上海交通大学机械与动力工程学院副教授。2012年于重庆大学能源与动力工程学院取得博士学位。2013-2015年作为洪堡学者在德国马格德堡大学开展研究工作。2016年入职上海交通大学。主要研究兴趣包括多孔介质传输与界面传递现象。

第一作者介绍

寇天一博士

2014年9月加入Yat Li教授课题组攻读博士学位，2019年8月在加州大学圣克鲁兹分校取得化学博士学位后留组任博士后研究员。主要研究兴趣包括，设计与合成在电化学催化反应，以及能源存储过程有应用前景的过渡金属基、碳基等多级材料，纳米多孔金属与合金催化剂，以及3D打印技术在电化学催化方面的应用。以第一作者以及通讯作者在Nature Communications， Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters等著名期刊发表文章19篇，引用>2050次，h因子24。