氢能被认为是目前最清洁的可再生能源,是未来能源体系的重要组成部分,开发可持续的制氢技术对未来氢能经济的发展非常关键。电解水制氢技术由于其具有绿色、简单且可持续等优点受到广泛的关注和研究。发展高效的电催化电极以降低电解水制氢中的电能消耗是电解水制氢领域一个非常关键且被大量研究的科学问题。增加电催化电极上的活性位点数量是提高电解水性能、降低能耗的重要策略。与传统的平面电极相比,三维(3D)块体电极由于其大的比表面积可以提供更多的活性位点而成为研究热点。然而,考虑到电解水过程中快速传质的需求,目前的传统3D块体电极仅仅局限于较薄的厚度。厚的3D块体电极由于传质速度不足限制了电极内表面积的有效利用,并不能相对于薄电极有较大的性能提升。因此,制备一种具有高传质速度的厚3D电极以充分利用内部表面积来有效增加活性位点的数量,大幅提升电解水性能是迫切需要的,并且这仍然是电解水领域中的一个挑战。为了解决以上问题,在本文中,我们利用具有多级多孔结构的高导电性3D打印石墨烯/碳纳米管三维电极(3DP GC),通过分别原位生长NiCoP和NiFeP纳米催化剂阵列,构建了宏观-微观多级多孔的3DP GC/NiCoP和3DP GC/NiFeP三维自支撑电催化电极。在电解水中,由于3DP GC电极的宏观和微孔多孔结构能够实现比传统块体电极更快速的物质传输,表现出了优于传统块体电极的性能,并且通过简单增加电极厚度来有效增加活性位点数量的策略显著提高了电解水的性能。本论文主要研究内容与结果如下:(1)在多级多孔的高导电性3DP GC电极上原位生长了 NiCoP纳米线阵列,制备了 3DP GC/NiCoP电催化剂电极,该电催化剂电极析氢催化性能优异,在碱性介质中,3DPGC/NiCoP在10 mA/cm2的电流密度下的过电势为107 mV,并且表现出良好的稳定性。(2)在多级多孔的高导电性3DP GC电极上原位生长了 NiFeP纳米片阵列制备了 3DP GC/NiFeP电催化剂电极,实现了双功能的电解水。在碱性电解水制氢的反应中,3DP GC/NiFeP电催化剂电极达到10 mA/cm2的电流密度时仅需要149 mV的过电势;在碱性电解水制氧的反应中,3DP GC/NiFeP电催化剂电极达到10 mA/cm2的电流密度时需要234 mV的过电势。(3)通过简单增加电极的厚度来有效增加活性位点数量的策略实现了高效的全解水。利用3DP GC电极快速传质、高导电性和大比表面积的优势,我们在不同厚度的电极上原位生长了 NiFeP纳米片阵列,制备了不同厚度的3DP GC/NiFeP电催化剂电极。将不同厚度的3DP GC/NiFeP电极用在了两电极电解槽下,同时作为阳极和阴极,通过增加电极的厚度来有效增加活性位点数量进一步提升了 3DP GC/NiFeP电极的全解水催化性能,24层的3DP GC/NiFeP的双电极电解槽在碱性介质中只需要1.58 V的低压就能获得30 mA/cm2的电流密度,实现了高效和稳定的全解水。综上,本论文将利用3D打印技术制备的具有多级多孔结构的石墨烯/碳纳米管三维电极应用于电解水,3DP GC电极在电解水中的优势如下:(ⅰ)多级多孔的3DP GC电极的高导电性有利于电催化过程中的快速电子传输,多级多孔结构提供了大的比表面积和快速传质能力,并且具有大孔通道的网络骨架能够使电解质和气体顺利扩散。(ⅱ)在3DP GC电极上直接原位生长了高活性NiCoP、NiFeP催化剂,避免了粘附剂的使用,促进了催化剂跟导电载体之间的电子传输以及跟电解液中离子的快速有效接触。(ⅲ)3DP GC电极突破了传统电极不能通过增加厚度来提升性能的限制,实现了厚电极下高效的电解水。因此,3D打印石墨烯/碳纳米管电极非常有潜力用于其它的电催化领域并显著提升催化性能。