近日，西北理工大学黄伟院士团队官方操作教授开发了基于高精度三维镍金属结构的全3D打印电解槽。
通过太阳能电池板进行驱动，电解槽可以高效稳定地进行水分解，用1.63V的电压值驱动500mAcm-2的电流密度，实现1000小时以上稳定运行，期间不会出现明显的性能衰退。该装置具备高活性和高耐用性，有助于推动可再生能源的规模化和定制化生产。
其潜在应用主要包括电解水制氢和电池储能两个方向。
这项工作源于一年前研究小组发现的实验现象：最常用的泡沫镍作为电极基底负载活性物质，然后进行电解水性能测试。当电流密度约为10macm-2时，线性扫描伏安法曲线非常光滑；当电流密度增加几十倍至500macm-2时，则波动剧烈。
研究团队对电解水过程中电解槽内部的实验现象进行了观察，发现电极表面进入高电流后，气泡数量会迅速增加，一些大气泡在电极表面附着的时间比较长，最会破裂从电极表面消失。整个过程线性扫描伏安法曲线呈锯齿状波动，基于此现象，研究团队猜测气泡行为很有可能会对催化性能产生影响。
为了对这个想法进行验证，团队通过数字光处理的 3D 打印技术，设计并制备了三维层级有序多孔的 Gyroid 结构。然后，该团队将其作为电极结构，并与商用的泡沫镍三维骨架结构进行对比，来观察不同结构对于气泡行为和催化性能的影响。
最后，通过一系列的实验，团队证明了最初的想法：大气泡的存在会对电位造成巨大的干扰，从而影响催化效率。
研究人员还考虑到当同一电解槽中的电解水发生反应时，产生的氢气和氧气会在电解槽中混合。在实际生产的过程中，会产生两种影响：一方面会降低氢的纯度，另一方面也有氢和氧混合爆炸的风险。因此，研究小组设计并打印了一个隔膜，以防止气体混合。在碱性环境中，氢和氧根离子，可以通过隔膜而不受影响，产生的氢和氧也不能通过隔膜。
此外，团队通过3D打印技术制备了电解槽，希望进一步实现廉价高效的电解水，并将其与3D打印复合电极和隔膜组装成全3D打印电解水装置。
相关研究成果以《高效的全三维打印电解器，可实现超稳定的水电解功能》（Highly Efficient All-3D-Printed Electrolyzer towards Ultra-stable Water Electrolysis）为题，发表在 Nano Letters 上。
