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不斷增長的能源需求，加上傳統化石燃料的減少，使人們堅定地把重點放在可持續的清潔能源以及能妥善儲存和利用這些豐富但可變的可再生能源的方法上。作為進一步的解決方案，脫碳工業和社會的迫切需求使得氫氣的制備尤為重要。

氫，盡管像分子一樣小，但是每單位質量產生的能量是傳統能源的2.5倍，并且已經被探索了很長時間。更具體地說，電解水被認為是最有希望的可持續制氫方法之一。對于由析氫反應(HER)和析氧反應(OER)組成的電解水，其反應過電位是決定效率的主要因素。由于受到半反應(OER過程)和氣體釋放過程的限制，電解水過程還面臨著一定的挑戰。

基于此，西北工業大學官操和黃維院士(共同通訊)等人報道了一種具有合理周期結構和表面化學特性的3D打印Ni電極(3DP Ni)，其具有宏觀有序的孔隙可以實現反應氣體快速釋放。

采用三電極體系在1 M KOH中測試了3DP Ni、MoNi₄-MoO₂/3DP Ni和NiFe LDH/3DP Ni的電化學性能。3DP Ni和MoNi₄-MoO₂/3DP Ni分別需要239和104 mV就可以達到500 mA cm^-2的高電流密度，遠低于純泡沫鎳(NF，430 mV)和MoNi₄-MoO₂/NF(176 mV)。

另外，實際產氫速率與理論值一致。MoNi₄-MoO₂/3DP Ni電極的電化學活性面積(ECSA)也比MoNi₄-MoO₂/NF大得多。純3DP Ni的Tafel斜率為87.4 mV dec^-1，而MoNi₄-MoO₂/3DP Ni的Tafel斜率進一步降低為45 mV dec^-1。電化學測試結果表明，與MoNi₄-MoO₂/NF相比，由于具有多孔結構和較大的催化活性表面積的MoNi₄-MoO₂/3DP Ni表現出更優越的HER性能，也超過了以往報道的大多數HER催化劑。MoNi₄-MoO₂/3DP Ni也表現出了顯著的穩定性，在500 mA cm^-2的大電流密度下，經過25小時的穩定性測試后，僅觀察到25 mV的電壓衰減。

關于OER性能，在500 mA cm^-2的電流密度下，NiFe LDH/3DP Ni的過電位為310 mV，遠低于3DP Ni(470 mV)，也與最近報道的催化劑性能相當。同時，NiFe LDH/3DP Ni表現出較大的ECSA和37 mV dec^-1的低Tafel斜率，表明其具有更有利的OER過程。3DP鎳基電極在HER和OER中均比NF基電極具有更低的電荷轉移電阻，進一步證實了多孔結構的優點。同樣，在500 mA cm^-2的OER大電流密度下，NiFe LDH/3DP Ni表現出無與倫比的高穩定性，這優于NiFe LDH/NF。

考慮到優異的電化學性能和氣泡軌跡等所有因素，本文制備了一個全3D打印的電解槽(包括電極、膜和電解槽)。特別的是，本文打印了一種雙功能膜，以防止產生的H₂和O₂氣體的混合。雙功能膜為羥基離子創造了一個單行道，從而促進生成的H₂和O₂之間的有效分離。

研究發現，MoNi₄-MoO₂/3DP Ni||NiFe LDH/3DP Ni電解槽只需要1.63 V的電壓就可以提供500 mA cm^-2的電流密度，而MoNi₄-MoO₂/NF||NiFe LDH/NF需要的電壓較大(1.77 V)。對于3DP Ni基電解槽，除了電壓較低外，氣泡的釋放速度也較快。

更重要的是，MoNi₄-MoO₂/3DP Ni||NiFe LDH/3DP Ni電解槽也表現出長期的穩定性。在500 mA cm^-2的高電流密度下，在測試24小時和1000小時后，MoNi₄-MoO₂/3DP Ni||NiFe LDH/3DP Ni電解槽的電壓分別增加了32和86 mV，低過電位實現工業所需的電流密度和高穩定性也優于近期報道的催化劑。催化劑優異的穩定性可以歸因于有利于電解質和氣體傳輸的分層多孔結構以及緩沖氣泡脫離引起的應力/張力和體積膨脹的內部空腔。因此，基于3D打印制備的催化劑具有高活性、高穩定性，可以滿足實際工業應用的要求，也為可再生能源的規模化生產提供可行的方法。

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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