長三角G60雷射聯盟導讀
捷克布爾諾門德爾大學、布爾諾理工大學和奧斯特拉發技術大學的科研人員報道了長達10萬次循環耐久性雷射誘導MAX 3D列印光電催化和儲能應用電極的納米結構。相關研究以“Nanoarchitectonics of Laser Induced MAX 3D-Printed Electrode for Photo-Electrocatalysis and Energy Storage Application with Long Cyclic Durability of 100 000 Cycles”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。
3D列印是快速發展的增材制造領域，它能夠制造複雜的3D結構，并具有可調節的制造參數和可擴充性。然而，3D列印材料在制造後通常需要一個激活步驟來消除不導電的聚合物，這一過程傳統上通過化學、熱或電化學方法來實作。然而，這些傳統的激活技術存在效率低、結果不一緻等問題。本研究介紹了一種采用雷射處理的新型免化學活化方法。這種創新技術能有效活化3D列印電極，然後對照傳統的溶劑活化電極，對其光電和電化學性能進行評估。該方法不僅能精确燒蝕多餘的非導電聚合物，還能暴露并激活底層的電活性材料。采用這種單步雷射方法加工的3D列印電極在波長為365nm的光照下，電流密度為-10 mA cm-2時的過電位明顯較低（≈505 mV）。這些電極還表現出超強的耐久性，在儲能應用中可保持大于10萬次循環的穩定性。通過将3D列印與雷射加工相結合，可以制造出具有複雜結構和可定制特性的電極。這種協同作用為能量轉換和儲存領域此類裝置的簡化生産鋪平了道路。
圖1：3DP MAX電極的燈絲制作和雷射處理示意圖，以及3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser電極的表征。
圖2:a-c)3DP-MAXsol和d-f) 3DP-MAXlaser的共聚焦雷射掃描顯微鏡光學顯微照片及相應的2D和3D假色剖面圖，比例尺∼50 µm。
圖3:a)3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser電極的X射線衍射分析；b)3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser電極的拉曼光譜分析；c)3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser電極的紫外光譜測量。d)3DP-MAXsol電極的d)Ti 2p；e) C 1s 和 f) Al 2p 以及3DP-MAXlaser電極的 g) Ti 2p；h) C 1s 和i) Al 2p 的高分辨率核級光譜和反卷積峰。光譜顯示了一個2 p1/2 峰，如圖所示，位于較高的eV區域，顔色與2 p3/2 相似。
圖4：a) 通過波長為365nm和460nm的光源在0.5 M H2SO4電解液中以2 mV s-1的掃描速率對3DP-MAXsol、3DP-MAXsol（含商用 TiO2）和3DP-MAXlaser三電極系統進行光照射和無光照射時的光電化學氫進化反應（HER）的線性掃描伏安法（LSV）曲線。b)在3DP-MAXlaser電極的類似操作條件下，使用-0.40 V 的恒定電位相對于RHE，記錄了光輻射365nm和460nm連續光開關的時變測量。
5：3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser電極在 1 M H2SO4電解液中的電容測量，在三電極系統中，Pt作為對電極，Ag/AgCl（1 M KCl）作為參比電極，制備的3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser電極作為工作電極。
6：a)電化學循環穩定性測量前；b) 20000、c) 40000 和 d) 100000 次循環後，在電化學循環穩定性測量期間取出電極後，3DP-MAXlaser電極的掃描電鏡圖像。
7：a)雷射誘導3DP-MAXlaser電極的原位XPS高分辨率光譜。b)雷射誘導3DP-MAXlaser電極表面（TiC、Ti2+、Ti3+和Ti4+）的原子分數分布。
科研人員研究了一種用于光電化學能量轉換(HER)和超級電容器應用的簡單雷射活化3D列印電極。對這些電極進行雷射加工後，電極表面變得粗糙，內建MAX相的化學成分也發生了變化，進而增強了電極的光電化學特性。實體表征證明了雷射處理電極的晶體結構、缺陷、帶隙和化學成分發生了變化。3DP-MAXlaser電極的性能得到了改善，在光照（λ= 365 nm）下，氫進化反應的過電位值≈505 mV，在 1.01 mA cm-2 的條件下，比電容為83.71 mF cm-2，與文獻值相當。值得注意的是，3DP-MAXlaser電極在10萬次循環過程中表現出優異的長期循環穩定性，這是由于在循環過程中，表面從3D結構重構為1D結構，并且Ti原子的氧化态發生了變化。這項工作為制造2D材料內建3D列印獨立電極和器件提供了新的見解，這些電極和器件可用于各種電化學應用，包括光電和電化學氫進化、超級電容器、電池和電化學傳感.利用3D列印和單步雷射加工技術，科研人員通過一種簡便、環保、經濟和可擴充的制造技術實作了電化學性能的提高。
論文連結：
https://doi.org/10.1002/adfm.202407071
歡迎大家參加長三角G60雷射聯盟舉辦的活動：
雷射智造在新能源汽車中的應用：
2024年7月29日-31日，安徽合肥豐大國際大酒店
歡迎您參會、歡迎參展！