河南理工大学–3D打印具有良好连接分层通道的石墨烯锐钛矿TiO2光阳极，用于由海水污染物驱动的集成自浮式光燃料电池

具有良好连接的定向微纳米通道的光电极结构对于光燃料电池(PFC)实现污染物的高性能能量转换至关重要。然而，在制造一致性和可扩展性、高效的污染物捕获和光吸收方面仍然存在挑战。本文通过可扩展和可控的挤压3D打印策略，构建了一种具有多孔微晶格结构的新型光电极，通过连接弯曲的光活性石墨烯片，构建了具有良好互连的定向通道和丰富的分层开放孔。独特的结构特点促进了高度的光吸收，同时保证了畅通无阻的通道，作为“高速公路”，使海水污染物快速扩散和捕获。集成了3D打印光电极的PFC在持续自浮和阳光下对海水污染物表现出惊人的光电转换能力，具有出色的循环稳定性，最大功率密度为0.09 mWcm^-2。这项工作为制造高性能PFC器件的光电极结构提供了新的策略。

图1. 海水污染物降解与发电一体化自浮式PFC结构设计。

图2. 制备工艺及油墨流变行为。(a)3D石墨烯-TiO₂气凝胶制备工艺示意图。(b)各种GO-TiO₂油墨粘度随剪切速率的变化。各种GO-TiO₂油墨的存储模量(G’)和损耗模量(G’’)随(c)剪切应力和(d)频率的变化。3D打印的石墨烯-TiO₂气凝胶的光学图像：(e)各种2D几何图案和(f)不同厚度的3D微晶格。

图3. 负载40% TiO₂的3D打印气凝胶光阳极的形态、组成和光吸收特性。(a) SEM俯视图，(b-d)放大倍数。(e) SEM横截面图像及(f,g)放大倍数。(h) C、O、Ti对应图3g的EDS元素映射。石墨烯、TiO₂和3D打印光阳极的(i)XRD图谱和(j)拉曼光谱。(k) TiO₂和3D打印石墨烯-TiO₂光阳极的UV-vis DRS图谱。

图4. 集成3D打印石墨烯-TiO₂@PVDF@Au-PVDF PFC的制备与表征。(a)制备工艺示意图。(b) Au-PVDF@PVDF的SEM横截面图像及其对应的F和Au元素映射。(c)电极-分离器界面处F、Au和Ti的SEM横截面图及相应的元素映射图。(d)打印的PFC浮在海水上的照片。(e)黑暗和模拟阳光下的奈奎斯特图。(f)模拟阳光下不同浓度正己烷溶液的光电流响应。(g)在光阳极中添加不同重量百分比TiO₂时，打印PFC的光电流响应。3D打印和非打印PFCs的光电流响应(h)和极化/功率曲线(i)。

图5. 3D打印PFC对海水污染物的发电性能。(a)不同正己烷浓度海水在模拟阳光照射下的极化曲线和(b)相应的功率密度曲线。(c)含2%正己烷的海水中不同循环和(d)其他海水污染物在模拟阳光照射下的光电流响应。(e)晴天时，含2%正己烷海水在不同时间的光电流响应。

相关研究成果由河南理工大学材料科学与工程学院、河南省深地材料科学与技术重点实验室Zhengpeng Yang等人于2023年发表在Applied Catalysis B: Environmental (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122646 )上。原文：3D-printed graphene-anatase TiO₂ photoanode with well-interconnected hierarchical channels for integrated self-floating photofuel cell powered by seawater pollutants。