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Optimized Bubble Dynamics of 3D-Printed Electrodes for Enhanced Water Splitting

材料科学 气泡 电极 动力学(音乐) 3d打印 分解水 纳米技术 化学物理 光电子学 机械 声学 生物医学工程 物理化学 催化作用 医学 生物化学 化学 物理 光催化
作者
Zhijie Feng,Hao Wang,Nannan Jiang,Xuwei Liu,Huihui Jin,Haoying Cheng,Lunhui Guan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (10): 15446-15455 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.4c21798
摘要

Gas evolution plays an important role in water electrolysis, as sluggish bubble dynamics lead to blockage of active sites, reduced catalytic performance, and even detachment of the catalysts. In this work, we present a strategy to fabricate highly rough three-dimensional (3D)-printed Ni (3DPNi) electrodes with ordered flow channel structures, achieving exceptional catalytic performance through enhanced bubble detachment and transport dynamics. The rough surfaces enhance hydrophilic and aerophobic properties, suppressing bubble coalescence and accelerating bubble detachment dynamics. The ordered structures of 3DPNi serve as efficient bubble flow channels and effectively prevent bubble trapping, facilitating rapid bubble transport dynamics. Collectively, these features optimize bubble dynamics, significantly boosting catalytic performance for water electrolysis. Computational fluid dynamics simulations and visual experiments validate the improved bubble dynamics. When coated with NiFe-LDH (NiFe-LDH/3DPNi), a low overpotential of 238 mV is required to deliver 100 mA cm-2 for OER. In overall water splitting, the NiFe-LDH/3DPNi || Pt plate setup requires a cell voltage of 1.86 V to achieve 1 A cm-2 and demonstrates excellent stability over 100 h at this current density, indicating strong potential for practical applications.
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