3D 打印在電催化方面的應用

作者：李聰榮
來源：能源學人

目前，3D 打印技術在電化學領域，尤其是在電催化合成化學原料和可再生燃料方面的研究正持續(xù)升溫。3D打印在復雜而特殊的設計方面擁有高度的靈活性，因而在加工領域具有劃時代的意義。近些年，大量的快速成型材料和設備的開發(fā)，更是極大地縮小了電催化材料及設備在實驗室理想條件和工業(yè)生產中的差距。澳大利亞伍倫貢大學的李聰榮和 Gordon Wallace 等人以“3D printing forelectrocatalytic applications”為題在Joule上發(fā)表綜述，詳細講述了3D 打印技術在電催化領域的優(yōu)勢， 開發(fā)潛力，發(fā)展限制因素及前景。該綜述從未來的電極尺寸，打印分辨率，以及成本等角度展開分析， 研究了3D打印電極的后處理及電催化設備的制造策略，展望了3D打印這一快速成型技術在電催化反應及其反應界面領域的發(fā)展前景。

3D打印，作為一種先進制造技術，為可持續(xù)能源生產設備的生產提供了一種極具吸引力的環(huán)保路線。它可以實現快速設計成型，避免了對生產設備的改造。這一快速成型的方法有望加速產品的開發(fā)，并為電催化領域的基礎研究提供新的結構設計。3D打印在電催化領域與其他領域不同的是，高度跨學科，材料自身復雜性，化學，催化界面，以及電催化所需規(guī)模和少量定制等挑戰(zhàn)則意味著3D打印技術在電催化領域需要長期的研究和開發(fā)。作者預測，在不久的將來，隨著打印技術的進步，人類對印刷材料性能將會有進一步了解，3D打印組件會與大型設備相結合，從而使3D打印與傳統方式生產的部件相協調。然而，開發(fā)完全依賴打印的、大規(guī)模的、可持續(xù)的能源設備并使其標準化還需要一段時間。

3D打印技術的快速發(fā)展在包括電催化反應裝置制造等領域擁有新的前景。3D打印技術在電催化領域的作用首先體現在概念驗證設備中。電催化領域涉及大規(guī)模的化學反應。通過優(yōu)化，這些設備可以實現大規(guī)模、低成本、高產量。與此同時，在基礎研究領域，新的概念設計也可以通過3D打印來驗證。需要指出的是，將3D打印制造的反應器用于大規(guī)模生產需要創(chuàng)造性的工程解決方案，而目前這仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

性能好的電催化材料往往需要納米級的結構及相關性能，來達到高反應活性和高比表面積。但目前的打印技術的分辨率遠不到納米量級，這嚴重限制了3D打印技術在電催化中的應用。然而，后處理步驟，如合金化-去合金化、去模板化、陽極氧化及電沉積等方案能夠打破這些限制。新技術，新改性方法正在為亞微級的金屬基電子材料的制備提供新的方向。未來的技術將把實驗室容易合成的納米催化劑用于打印，這會有助于克服3D打印材料低分辨率和商業(yè)化困難等限制， 同時為電催化領域提供變革性的一步制備納米級材料的方法。目前的高粘度導電墨水的擠出打印技術的總體打印分辨率有待提高，且電催化性能有待驗證，但已經很接近理想結構。

目前，電催化中的反應器和其他非電導部件的打印已經達到了技術相對成熟的階段。這是因為這些打印的材料多是聚合物材料，且反應器所需的復雜程度要低于導電的電極材料。大多數電催化劑的最佳反應活性往往發(fā)生在高pH或低pH區(qū)域或有機溶劑中。但局限性在于，并非所有材料都能承受這種極端的條件。聚合物材料中的添加劑（通常在商品成分中沒有提到）也可能會對化學穩(wěn)定性造成不利影響。此外，在膜材料制備領域，用于分隔電解池的陰極和陽極的3D打印膜材料也是研究的熱點。這一前景主要涉及工業(yè)上的無機鹽基電催化系統。其他類型的催化劑的打印，比如生物酶，則在打印方面需要考慮錨定手段、基質的生物相容性、酶的特異性以及長期穩(wěn)定性。

總之，電極的開發(fā)、反應器的設計、電催化劑以及膜材料等都可以與3D打印技術相結合，實現電催化反應器的一站式制造。在電催化性能測試中，3D打印能實現快速構建和組裝，從而有可能加速功能產品和新結構的開發(fā)。電催化要求有先進的3D打印技術及相關的后處理技術。因此，新穎的電極及反應器的設計，先進的打印技術，以及我們對打印材料的物理化學性能、機械性能及相應的功能的深入理解，都對下一代3D打印電催化組件的開發(fā)有重要意義。然而，有別于傳統的設計模型，且真正具有創(chuàng)新性的反應器和電極材料的設計還有待考察。這一系統應該會為電催化帶來突破，但單純依靠打印制造的反應器和電極材料，則會價格不菲。



通訊作者簡介
李聰榮博士，在澳大利亞莫納什大學獲得電化學博士學位。畢業(yè)后曾在德國埃爾蘭根-紐倫堡大學和英國劍橋大學做博士后研究。他于2015年獲得澳大利亞伍倫貢大學Vice Chancellor’s Research Fellowship。目前他主要從事電化學，納米材料，金屬酶，催化，太陽能和3D打印等方面的研究，利用電化學，光催化，和光電化學等方法活化H2O, O2, 和 CO2 等小分子以獲得再生能源。

Gordon Wallace 教授是澳大利亞伍倫貢大學的終身教授，澳大利亞研究委員會電化學卓越研究中心（Australian Research Council Centre of Excellence for Electromaterials Science）研究執(zhí)行主任，智能聚合物研究所（Intelligent Polymer Research Institute）所長。曾是澳大利亞研究委員會桂冠和聯邦院士（ARC Laureate and Federation Fellows）。他主要從事有機導體、納米材料和電化學探針分析方法，以及用于能源和健康的3D打印。