澳门大学许冠男Battery Energy:用于葡萄糖电氧化的油墨印刷金属/石墨烯气凝胶

【研究背景】

石墨烯的高机械强度、良好的导电性和导热性使其成为一种很有前途的电子和催化研究材料。特别是，基于石墨烯气凝胶(GA)的材料在储能和能量转换方面的应用已经得到了广泛的探索。在实际应用中，溶剂热法是制备GA材料的主要途径，但由于所用的原始氧化石墨烯(GO)溶液的表面张力，用这种方法合成的GA仅限于圆柱形。虽然用这种方法可以合成尺寸和形状可伸缩的GA材料，但需要具有特定形状的反应器，并且仍然存在与尺寸收缩有关的问题。此外，制作的自立式GA材料在实际使用之前需要经过后续的超声波处理，这可能会破坏三维(3D)结构。因此，这些都是GA基材料应用的局限性。近年来，不同的小组报道了3D打印技术的使用，包括立体光刻和场沉积建模(FDM)，用于GA合成。印刷的GA材料表现出了良好的吸油和吸附有毒染料的活性。然而，已报道的大多数GA材料需要使用表面活性剂或石墨化树脂，导致GA基材料的催化活性中心减少。此外，油墨的准备时间很长。因此，开发一种直接墨水写入(DIW)技术来打印3D催化剂负载的GA基电催化电极是一种新的研究途径。

澳门大学应用物理及材料工程研究院许冠男副教授基于长期研究经验与最新发现，重点讨论了用于葡萄糖电氧化的油墨印刷金属/石墨烯气凝胶。该工作目前在BATTERY ENERGY第四期上以题“Ink-printed metal/graphene aerogel for glucose electro-oxidation”发表（DOI:10.1002/bte2.20220004）。

【工作介绍】

图文摘要：

作者报道了一种用于葡萄糖电氧化(GOR)的无粘结剂金属(Pd-铂)载石墨烯气凝胶(Pd-Pt/GA)。自组装3D打印Pd-铂/GA是通过食品打印机将Pd-铂/氧化石墨烯通过简单的凝胶墨水打印，然后冷冻干燥和传统的维生素C还原工艺制备的。印刷电极在气油中表现出良好的性能。

3D打印技术已成为电催化块状纳米材料复合材料发展的最有前途的技术之一。然而，传统的场沉积建模、光刻等方法已不能适应功能化材料的实用化发展。大量的研究集中在直接墨水书写(DIW)打印技术的开发上，以制备具有电催化粘结剂的石墨烯气凝胶(GA)电极。只有少数研究集中在以无粘结剂的氧化石墨烯(GO)为原料，采用DIW 3D打印方法合成GA材料。在这里，我们描述了使用商用3D食品打印机的DIW打印方法来制备具有不同Pd-PT负载量的GA基电极(没有尺寸收缩)。电子显微镜结果表明，可以得到Pd-铂负载量较高(59.43wt% )的Pd-铂/GA整体柱。该电极在葡萄糖电氧化(GOR)中表现出良好的电化学性能，在0.3 M葡萄糖/1 M氢氧化钠溶液中，3000次循环(60 h)，输出电流密度为0.94 A g⁻¹。这项研究展示了DIW印刷的无粘结剂Pd-PT/GA电极在燃料电池应用中的潜力。

经过研究，作者得出结论：采用Pd-Pt/GO杂化溶胶-凝胶一步DIW法制备了无尺寸收缩、不含添加剂的Pd-Pt/GA电极。结果表明，DIW Pd-Pt/GA样品的Pd-Pt负载量(wt%)可以通过改变Pd和Pt前驱体的量来调节。Pd-Pt/GA-2电极在3000次循环(60 h)中表现出良好的GOR性能(相对于第100次循环，输出电流密度仅下降39.3%)。本研究可能为制备无粘结剂的DIW印刷GA基电催化电极提供一种新的策略。

本文的通讯作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院许冠男副教授，主要研究领域：材料科学与工程，化学工程，纳米材料，石墨烯材料，电化学储能和转换(钠离子电池、柔性超级电容器、燃料电池)。

通讯作者简介

许冠男，澳门大学应用物理及材料工程研究院副教授。

本文内容基于Wiley出版集团合作期刊BATTERY ENERGY第一卷第四期以Research Article发表的“Ink-printed metal/graphene aerogel for glucose electro-oxidation”

DOI: 10.1002/bte2.20220004

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bte2.20220004