具有良好連接的定向微納米通道的光電極結(jié)構(gòu)對(duì)于光燃料電池(PFC)實(shí)現(xiàn)污染物的高性能能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。然而，在制造一致性和可擴(kuò)展性、高效的污染物捕獲和光吸收方面仍然存在挑戰(zhàn)。本文通過可擴(kuò)展和可控的擠壓3D打印策略，構(gòu)建了一種具有多孔微晶格結(jié)構(gòu)的新型光電極，通過連接彎曲的光活性石墨烯片，構(gòu)建了具有良好互連的定向通道和豐富的分層開放孔。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)促進(jìn)了高度的光吸收，同時(shí)保證了暢通無阻的通道，作為“高速公路”，使海水污染物快速擴(kuò)散和捕獲。集成了3D打印光電極的PFC在持續(xù)自浮和陽(yáng)光下對(duì)海水污染物表現(xiàn)出驚人的光電轉(zhuǎn)換能力，具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性，最大功率密度為0.09 mWcm
-2。這項(xiàng)工作為制造高性能PFC器件的光電極結(jié)構(gòu)提供了新的策略。
圖1. 海水污染物降解與發(fā)電一體化自浮式PFC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
圖2. 制備工藝及油墨流變行為。(a)3D石墨烯-TiO
2氣凝膠制備工藝示意圖。(b)各種GO-TiO
2油墨粘度隨剪切速率的變化。各種GO-TiO
2油墨的存儲(chǔ)模量(G’)和損耗模量(G’’)隨(c)剪切應(yīng)力和(d)頻率的變化。3D打印的石墨烯-TiO
2氣凝膠的光學(xué)圖像：(e)各種2D幾何圖案和(f)不同厚度的3D微晶格。
圖3. 負(fù)載40% TiO
2的3D打印氣凝膠光陽(yáng)極的形態(tài)、組成和光吸收特性。(a) SEM俯視圖，(b-d)放大倍數(shù)。(e) SEM橫截面圖像及(f,g)放大倍數(shù)。(h) C、O、Ti對(duì)應(yīng)圖3g的EDS元素映射。石墨烯、TiO
2和3D打印光陽(yáng)極的(i)XRD圖譜和(j)拉曼光譜。(k) TiO
2和3D打印石墨烯-TiO
2光陽(yáng)極的UV-vis DRS圖譜。
圖4. 集成3D打印石墨烯-TiO
2@PVDF@Au-PVDF PFC的制備與表征。(a)制備工藝示意圖。(b) Au-PVDF@PVDF的SEM橫截面圖像及其對(duì)應(yīng)的F和Au元素映射。(c)電極-分離器界面處F、Au和Ti的SEM橫截面圖及相應(yīng)的元素映射圖。(d)打印的PFC浮在海水上的照片。(e)黑暗和模擬陽(yáng)光下的奈奎斯特圖。(f)模擬陽(yáng)光下不同濃度正己烷溶液的光電流響應(yīng)。(g)在光陽(yáng)極中添加不同重量百分比TiO
2時(shí)，打印PFC的光電流響應(yīng)。3D打印和非打印PFCs的光電流響應(yīng)(h)和極化/功率曲線(i)。
圖5. 3D打印PFC對(duì)海水污染物的發(fā)電性能。(a)不同正己烷濃度海水在模擬陽(yáng)光照射下的極化曲線和(b)相應(yīng)的功率密度曲線。(c)含2%正己烷的海水中不同循環(huán)和(d)其他海水污染物在模擬陽(yáng)光照射下的光電流響應(yīng)。(e)晴天時(shí)，含2%正己烷海水在不同時(shí)間的光電流響應(yīng)。
相關(guān)研究成果由河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、河南省深地材料科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Zhengpeng Yang等人于2023年發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122646 )上。原文：3D-printed graphene-anatase TiO
2 photoanode with well-interconnected hierarchical channels for integrated self-floating photofuel cell powered by seawater pollutants。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
