Advanced Materials:3D打印碳纳米管增强石墨烯电极助力高效电解水

高性能三维电极材料是发展先进能源、环境及电子器件与系统的重要基础。迄今为止,3D打印的三维石墨烯电极已在先进能源和电子器件(如锂离子电池、超级电容器、压力传感器和摩擦发电机等)中显示了优异的性能。但二维石墨烯纳米片之间的低粘附性和低摩擦力使其在拉应力下易发生相对滑移,导致三维石墨烯材料的低抗拉和抗弯强度,制约了其在实际应用中抵抗复杂应力环境的能力。例如,3D打印石墨烯电极材料在反应溶液中使用时,易在表面张力和浮力作用下被折断而失效。因此,如何在构筑可控宏观和微观结构的同时获得优良的抗弯强度,是将3D打印石墨烯材料用于发展电解水等液相绿色产能领域所迫切需要解决的问题。

苏州大学功能纳米与软物质研究院江林课题组和合作者针对以上问题,提出了生物启发的一维(1D)碳纳米管(CNT)增强二维(2D)石墨烯间的相互作用力的策略,利用3D打印构筑了石墨烯基(3DP GC)电极。该电极兼具高机械强度、高导电性和多尺度多孔结构。在负载了NiFeP纳米片阵列后,3DP GC/NiFeP电极作为电解水的双功能电极应用时,通过增加3DP GC/NiFeP电极的厚度,可以实现催化性能的线性增加,其性能超过了大多数报道的Ni,Co和Fe基双功能电催化剂。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201908201)上。

力学计算揭示了分布于石墨烯片间的1D CNT对2D石墨烯片之间的摩擦力和粘附力的增强作用,进而使宏观三维结构获得了高抗弯强度。该3DP GC材料在以下几个方面具有显著优势:i)高抗弯强度,这有利于其在实际使用环境中具有抵抗复杂应力的能力,为其实际使用奠定了基础;ii)多级多孔结构,其提供的大表面积和相互连接的通道可在负载大量的催化剂的同时,实现快速的物质(电荷和离子)传输速率,使其成为一种极具潜力的三维催化剂载体。iii)基于浆料的挤出式3D打印策略灵活可控,适用于各种三维结构的快速制备,使该方法具有良好可扩展性。在该工作中,在3DP GC电极上负载了NiFeP纳米片阵列作为电解水的双功能电极应用时,仅需1.58 V的电压即可达到30 mA cm-2,这一性能超过了大多数报道的Ni,Co和Fe基双功能电催化剂。重要的是,这项研究提出的利用一维碳纳米管增强三维石墨烯电极的仿生材料增强策略,为制备其他高强度三维结构化材料提供了新思路。特别地,3DP GC电极解决了通过增加电极的厚度提升催化剂的负载量,以大幅线性提升催化性能这一挑战。这种高机械性能,高催化剂负载量的高性能电极材料,是推动各种高性能纳米材料面向实际应用和工业化的有效桥梁。