近日，中国科学院上海高等研究院唐志永研究员和张洁副研究员所带领的工程科学团队，在3D打印技术制备整体式镍基碱性电解制氢电极研究中取得重要进展，研究成果以“Direct Photo-curing 3D Printing of Nickel-based Electrocatalysts for Highly-efficient Hydrogen Evolution”为题发表在国际顶尖的能源材料期刊Nano Energy。论文的第一作者为上海高等研究院的韩兆璟博士研究生。 

可再生能源电解水制氢作为众多产氢路径中碳排放最低的工艺，可有效推动碳达峰与碳中和目标。目前，碱性电解为最成熟的电解技术，占据绿氢生产主导地位，可将可再生能源整合至终端，助力各行业实现深度脱碳。作为碱性电解水制氢的关键步骤，电催化析氢反应过电位大、能耗高，需要高效催化剂。贵金属铂是目前性能最佳的析氢催化剂，但其高成本制约了大规模化工业应用。因此，发展高活性和高稳定性的非贵金属碱性析氢催化剂以满足日益增长的绿氢需求具有重要意义。 

在此背景下，研究团队首次提出了一种利用光固化3D打印技术直接制备整体式镍基碱性电解催化剂的新策略。光固化3D打印技术制造成本远低于选择性激光熔化 (SLM) 金属3D打印，而几何自由度和打印精度又远高于直接墨水书写（DIW）3D打印。基于该技术，团队通过精确调控打印浆料组分和优化后处理过程，制备了一系列整体式钛掺杂镍基电极，获得了具有独特镍钛合金3D立方结构的多孔电极表面。该立方结构与镍基底具有很强的交互作用，可大大提升电催化剂的比表面积，暴露活性中心，进而提升催化活性。研究表明，该3D打印镍基电极呈现出卓越的析氢性能：在1 M的KOH溶液中，仅需34 mV的超小过电位即可达到10 mA？cm^-2的电流密度。这一表现优于传统商用铂碳电极，不亚于目前文献报道的最优秀贵金属析氢催化剂，后续还可继续优化电极三维结构，进一步提升其析氢性能。此外，得益于3D打印直接一体成型工艺，该整体式电极表现出了良好的工作稳定性。  

该研究工作成功开发了一种高活性的3D打印复杂结构镍基电极制备方法，为研发高效稳定且廉价的整体式镍基碱性析氢催化剂提供了新路径，将提升碱性电解制氢能量转化效率，推动大规模电解水制氢工业化过程，并且可作为一种普适的方法实现复杂三维结构非贵金属催化剂的快速精准智能制造。该工作获得了科技部重点研发计划和国家自然科学基金的资助。 

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107615 

图1. 3D打印制备整体式镍基碱性析氢电极过程 

图2. 3D打印镍基碱性析氢电极SEM及XRD表征结果 

图3. 3D打印镍基电极的电解水性能