长三角G60激光联盟导读
捷克布尔诺门德尔大学、布尔诺理工大学和奥斯特拉发技术大学的科研人员报道了长达10万次循环耐久性激光诱导MAX 3D打印光电催化和储能应用电极的纳米结构。相关研究以“Nanoarchitectonics of Laser Induced MAX 3D-Printed Electrode for Photo-Electrocatalysis and Energy Storage Application with Long Cyclic Durability of 100 000 Cycles”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
3D打印是快速发展的增材制造领域，它能够制造复杂的3D结构，并具有可调节的制造参数和可扩展性。然而，3D打印材料在制造后通常需要一个激活步骤来消除不导电的聚合物，这一过程传统上通过化学、热或电化学方法来实现。然而，这些传统的激活技术存在效率低、结果不一致等问题。本研究介绍了一种采用激光处理的新型免化学活化方法。这种创新技术能有效活化3D打印电极，然后对照传统的溶剂活化电极，对其光电和电化学性能进行评估。该方法不仅能精确烧蚀多余的非导电聚合物，还能暴露并激活底层的电活性材料。采用这种单步激光方法加工的3D打印电极在波长为365nm的光照下，电流密度为-10 mA cm-2时的过电位明显较低（≈505 mV）。这些电极还表现出超强的耐久性，在储能应用中可保持大于10万次循环的稳定性。通过将3D打印与激光加工相结合，可以制造出具有复杂结构和可定制特性的电极。这种协同作用为能量转换和储存领域此类设备的简化生产铺平了道路。
图1：3DP MAX电极的灯丝制作和激光处理示意图，以及3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser电极的表征。
图2:a-c)3DP-MAXsol和d-f) 3DP-MAXlaser的共聚焦激光扫描显微镜光学显微照片及相应的2D和3D假色剖面图，比例尺∼50 µm。
图3:a)3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser电极的X射线衍射分析；b)3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser电极的拉曼光谱分析；c)3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser电极的紫外光谱测量。d)3DP-MAXsol电极的d)Ti 2p；e) C 1s 和 f) Al 2p 以及3DP-MAXlaser电极的 g) Ti 2p；h) C 1s 和i) Al 2p 的高分辨率核级光谱和反卷积峰。光谱显示了一个2 p1/2 峰，如图所示，位于较高的eV区域，颜色与2 p3/2 相似。
图4：a) 通过波长为365nm和460nm的光源在0.5 M H2SO4电解液中以2 mV s-1的扫描速率对3DP-MAXsol、3DP-MAXsol（含商用 TiO2）和3DP-MAXlaser三电极系统进行光照射和无光照射时的光电化学氢进化反应（HER）的线性扫描伏安法（LSV）曲线。b)在3DP-MAXlaser电极的类似操作条件下，使用-0.40 V 的恒定电位相对于RHE，记录了光辐射365nm和460nm连续光开关的时变测量。
5：3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser电极在 1 M H2SO4电解液中的电容测量，在三电极系统中，Pt作为对电极，Ag/AgCl（1 M KCl）作为参比电极，制备的3DP-MAXsol和3DP-MAXlaser电极作为工作电极。
6：a)电化学循环稳定性测量前；b) 20000、c) 40000 和 d) 100000 次循环后，在电化学循环稳定性测量期间取出电极后，3DP-MAXlaser电极的扫描电镜图像。
7：a)激光诱导3DP-MAXlaser电极的原位XPS高分辨率光谱。b)激光诱导3DP-MAXlaser电极表面（TiC、Ti2+、Ti3+和Ti4+）的原子分数分布。
科研人员研究了一种用于光电化学能量转换(HER)和超级电容器应用的简单激光活化3D打印电极。对这些电极进行激光加工后，电极表面变得粗糙，集成MAX相的化学成分也发生了变化，从而增强了电极的光电化学特性。物理表征证实了激光处理电极的晶体结构、缺陷、带隙和化学成分发生了变化。3DP-MAXlaser电极的性能得到了改善，在光照（λ= 365 nm）下，氢进化反应的过电位值≈505 mV，在 1.01 mA cm-2 的条件下，比电容为83.71 mF cm-2，与文献值相当。值得注意的是，3DP-MAXlaser电极在10万次循环过程中表现出优异的长期循环稳定性，这是由于在循环过程中，表面从3D结构重构为1D结构，并且Ti原子的氧化态发生了变化。这项工作为制造2D材料集成3D打印独立电极和器件提供了新的见解，这些电极和器件可用于各种电化学应用，包括光电和电化学氢进化、超级电容器、电池和电化学传感.利用3D打印和单步激光加工技术，科研人员通过一种简便、环保、经济和可扩展的制造技术实现了电化学性能的提高。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202407071
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