在高电流密度下，碱性水电解会受到随机多孔电极（如泡沫镍）中气泡的产生和捕获的困扰，这会导致电解质可及的催化剂活性位数量的显著减少。

有鉴于此，美国加利福尼亚大学Yat Li，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Cheng Zhu，上海交通大学吴睿副教授报道了具有周期性孔结构的3D打印电极促进了气泡的运输和释放，即使在高电流密度下，也可维持大部分催化活性位对电解质的可及性，并具有较高的比反应速率。

文章要点

1）研究人员使用直接墨迹书写（DIW）技术制备出Ni晶格结构。首先准备了一种由镍颗粒，丙交酯-乙交酯共聚物（聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA））和梯度挥发溶剂（包括二氯甲烷（DCM）和乙二醇丁醚）组成的糊状墨水（EGBE）。油墨的高固含量会产生粘弹性响应，从而能够保持多孔结构的形状并对其进行构图，这些多孔结构以及催化剂涂层制备出3DPNi样品。接下来，研究人员使用先前报道的阳极氧化方法，将草酸镍二水合物块状晶体在3DPNi上均匀生长，草酸镍二水合物晶体转变为C–Ni_1-xO纳米棒。C–Ni_1-xO纳米棒的添加使电极表面变粗糙，并减少了气泡和催化剂之间的接触面积，因此有利于气泡的快速分离。

2）为了阐明3D打印结构中的孔隙顺序如何影响气泡流量，研究人员通过注气实验测试了无序C–Ni_1-xO/NF和有序C–Ni_1-xO/3DPNi的气泡释放行为。实验结果显示，3DPNi晶格的周期性排列的孔结构具有与气泡浮力平行的气泡流动通道，从而有效地抑制了面内侵入或排放过程，并使3D打印结构内部的压力增加最小化，从而减少气体突破时间。此外，碳掺杂NiO的3DPNi电极（C-Ni_1−xO/3DPNi）在1.0 m KOH电解质中的HER和OER过电位分别为245和425 mV时，可实现1000 mA cm^-2的高电流密度。在相同的电流密度下，C-Ni_1−xO/3DPNi的HER和OER过电位明显低于C-Ni_1−xO/NF。

这项工作展示了一种精准设计3D电极的新策略，促进气泡的快速运输和释放，以提高在商业相关电流密度下的整体电极催化活性。

Tianyi Kou, et al, Periodic Porous 3D Electrodes Mitigate Gas Bubble Traffic during Alkaline Water Electrolysis at High Current Densities, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202002955

https://doi.org/10.1002/aenm.202002955