3D打印多级多孔碳基电极的研究挑战与突破方向

3D打印多级多孔碳基电极原位生长高负载非贵金属催化剂并保持高质量活性，是开发廉价高性能电催化电极的关键路径。然而，当前该方法存在三大挑战：①原位生长催化剂的技术手段单一；②多级孔结构与传质性能的关联机制未明；③不同催化剂负载下3D电极的普遍性优势待验证。这些均是3D打印电极在电解水领域需突破的核心问题。

实验设计与表征方法

研究采用3D打印技术制备微观开孔3D PG/C与微观闭孔3D PG/C'电极，通过水热合成法负载NiCoP催化剂形成3D PG/C/NiCoP与3D PG/C'/NiCoP电极，系统探究多孔结构对材料生长及催化性能的影响。具体表征手段包括：

• 形貌与结构分析：SEM观察开孔/闭孔电极内外表面材料生长状态；XRD、XPS解析材料晶体结构与化学组成。
• 电化学性能测试：对比3D PG/C/NiCoP与商业碳纸负载NiCoP的析氢过电位及Tafel斜率，验证3D多级孔电极在碱性电解液中的催化优势。

传质性能与催化性能的构效关系研究

进一步通过电化学沉积法在石墨烯表面原位生长Ni-NiO纳米片，调控电极层数与沉积时间优化合成条件。结合SEM、XPS、XRD表征Ni-NiO形貌与组成，并通过浓度调控与菲克定律计算，定量分析开孔/闭孔电极的传质通量差异。实验证实：开孔电极显著促进传质过程，其负载的3D PG/C/Ni-NiO在碱性条件下表现出更低的析氢过电位与Tafel斜率，不仅验证了开孔结构的传质优势，更佐证了多级多孔3D PG/C电极在负载不同催化剂时具备普遍性性能优势。

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