具有良好連接的定向微納米通道的光電極結構對于光燃料電池(PFC)實現污染物的高性能能量轉換至關重要。然而，在制造一致性和可擴展性、高效的污染物捕獲和光吸收方面仍然存在挑戰。本文通過可擴展和可控的擠壓3D打印策略，構建了一種具有多孔微晶格結構的新型光電極，通過連接彎曲的光活性石墨烯片，構建了具有良好互連的定向通道和豐富的分層開放孔。獨特的結構特點促進了高度的光吸收，同時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散和捕獲。集成了3D打印光電極的PFC在持續自浮和陽光下對海水污染物表現出驚人的光電轉換能力，具有出色的循環穩定性，最大功率密度為0.09 mWcm
-2。這項工作為制造高性能PFC器件的光電極結構提供了新的策略。
圖1. 海水污染物降解與發電一體化自浮式PFC結構設計。
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油墨的存儲模量(G’)和損耗模量(G’’)隨(c)剪切應力和(d)頻率的變化。3D打印的石墨烯-TiO
2氣凝膠的光學圖像：(e)各種2D幾何圖案和(f)不同厚度的3D微晶格。
圖3. 負載40% TiO
2的3D打印氣凝膠光陽極的形態、組成和光吸收特性。(a) SEM俯視圖，(b-d)放大倍數。(e) SEM橫截面圖像及(f,g)放大倍數。(h) C、O、Ti對應圖3g的EDS元素映射。石墨烯、TiO
2和3D打印光陽極的(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橫截面圖像及其對應的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)黑暗和模擬陽光下的奈奎斯特圖。(f)模擬陽光下不同濃度正己烷溶液的光電流響應。(g)在光陽極中添加不同重量百分比TiO
2時，打印PFC的光電流響應。3D打印和非打印PFCs的光電流響應(h)和極化/功率曲線(i)。
圖5. 3D打印PFC對海水污染物的發電性能。(a)不同正己烷濃度海水在模擬陽光照射下的極化曲線和(b)相應的功率密度曲線。(c)含2%正己烷的海水中不同循環和(d)其他海水污染物在模擬陽光照射下的光電流響應。(e)晴天時，含2%正己烷海水在不同時間的光電流響應。
相關研究成果由河南理工大學材料科學與工程學院、河南省深地材料科學與技術重點實驗室Zhengpeng Yang等人于2023年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
