[发明专利]一种3D打印制备活性多孔碳电极的方法及其应用

说明书

本发明提供一种光固化3D打印制备活性多孔碳电极的方法，是将聚丙烯酸溶解于稀释剂中，加入交联剂，功能单体，最后加入光敏引发剂，用铝箔纸包住搅拌1~4小时，得到3D打印液，再将3D打印液用SLA技术光固化打印成各种3D构件，再用氨水进行处理后进行活性位掺杂和碳化处理，最后得到3D打印活性多孔碳电极。本发明能构建任意形状的3D活性多孔碳电极，且碳电极的厚度和形状等参数，可通过调整3D打印的模型参数来实现控制。将3D打印活性多孔碳电极运用到不同的电催化过程中，均获得了较好的效果。本发明提供的技术，可以制备出具备特定形状结构和优异电化学性能的定制碳电极，有望满足各种复杂电化学器件对催化电极制造的要求。

技术领域

本发明提供一种活性多孔碳电极的制备方法，尤其涉及一种光固化3D打印技术制备活性多孔碳电极的方法，主要应用于用于二氧化碳电还原、金属空气电池、电化学合成氨等电催化过程中。

背景技术

自上世纪80年代提出3D打印概念以来，3D打印又称增材制造，受到了工业界和研究实验室前所未有的关注和兴趣。3D打印为快速成型提供了无限可能。因此，它已经被应用于许多研究领域，从机械工程、医学、材料科学到化学。电化学是另一个可以从3D打印技术中受益的科学分支，它为设计和制造更经济、更多样的电化学器件提供了可能；此外，3D打印作为一种灵活的方法，也适合于催化剂的开发。印刷工艺适用于小批量生产和实验室操作，这提供了一个伟大的研究工具，可以优化各种结构与各种多孔材料。

与传统的电极相比，3D电极具有许多优点。首先，3D电极可以显著提高材料的传热传质性能。研究表明，不同结构的3D电极对目标产品的收率有一定的影响，好的传热传质性能是其主要原因。由于印刷模型通常由CAD设计，因此可以根据目标产品的要求3D电极的结构进行优化，通过优化结构设计，可以进一步提高催化性能。其次，3D打印电极可以扩展催化材料的应用范围。各种活性成分，如活性原子、石墨烯、聚合物和MOFs，都可以引入到催化系统中。通过3D打印还可以优化催化剂的分布，不同的催化剂可以分布在催化剂结构的不同区域，完成复杂的反应。这大大丰富了传统的催化材料。第三，3D打印电极以较低的成本实现了精细结构的制备。该结构可以定制和严格控制，避免了传统制备方法所需的复杂制造过程。近年来，3D打印机和打印原料的价格迅速下降。制造催化剂的成本有可能降低到一个合理的范围，这对其能实现工业应用提供了可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种光固化3D打印制备活性多孔碳电极的方法；将本发明3D打印制备的活性多孔碳电极应用于：二氧化碳电还原、金属空气电池、电化学合成氨等电催化过程中。

一、光固化3D打印活性多孔碳电极的制备

本发明提供一种光固化3D打印制备活性多孔碳电极的方法，是将特定碳源单体聚丙烯酸、交联剂、功能单体及光敏引发剂溶解于稀释剂中，得到3D打印液，再利用将3D打印液用SLA技术光固化打印成各种3D构件，再用氨水进行处理后进行活性位掺杂和碳化处理，最后得到3D打印活性多孔碳电极。具体制备工艺如下：

（1）3D打印液的准备

将聚丙烯酸溶解于稀释剂中，加入交联剂，功能单体，搅拌均匀后加入光敏引发剂，用铝箔纸包住搅拌1~4小时，得到3D打印液。

所述聚丙烯酸选用重均分子量在100~1,000,000的范围。聚丙烯酸的作用：1、碳源；2、致孔剂；3、作为3D打印构件的重要骨架组分。

所述稀释剂为缩水甘油醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、苯甲醇、苯乙烯、二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。稀释剂的加入量为聚丙烯酸质量的1~500倍。

所述交联剂为过氧化二异丙苯（DCP）、过氧化苯甲酰（BPO）、二叔丁基过氧化物（DTBP）、过氧化氢二异丙苯（DBHP）或二亚乙基三胺（DTA）中的一种或多种。交联剂的加入量为聚丙烯酸质量的0.01~50倍。