气溶胶纳米打印机助力电解水制氢

氢能源对于实现 2050 年气候目标和能源转型至关重要。来自荷兰 TU Delft 的衍生公司 VSPARTICLE 开发了一种更为经济、可持续和简单的气溶胶打印绿色制氢方案。从而加速大规模氢生产的研发与生产效率。同时，这项革命性技术还可以为其他领域的研究提供了新的思路。

电解制氢是常用的氢气生产的方法。负载纳米级电催化剂的膜材料用于将水分解成氢气和氧气。多年来，质子交换膜的制造一直采用相同的工艺步骤。VSPARTICLE 的首席执行官 Aaike van Vugt 表示，较多的步骤意味着增加额外的成本以及不确定因素。此外，该过程需要耗费大量有害的液体化学物质，这使其工艺更加复杂。

昂贵的 Ir 基催化剂

在酸性条件下的电解水氧析出反应中，二氧化铱因为优异的活性和稳定性被广泛使用。但金属铱作为一种稀有的贵金属材料，价格较为昂贵，每克的市价约为 240-250 元。基于 Ir 的电极目前是多步合成的。这些步骤包括制备“纳米催化剂墨水”以及随后的在所需的基板上（如钛网、碳）上的均匀分散。这种方法需要多个良好的步骤才能激活其催化活性。此外，使用胶体纳米颗粒需要通过去除配体来暴露 Ir 基纳米颗粒。因此，新的工艺应该更高效、更简单地完成催化剂合成步骤，可重复的获得活性 Ir 基电催化剂。

气溶胶纳米打印方案

Aaike 的团队研究了七年的 Nanoprinter纳米气溶胶沉积系统 使纳米粒子的制造更清洁、更便宜且效率更高。如果说一台喷墨打印机，它可以用四种基本颜色打印数千种颜色。那么 Nanoprinter 纳米打印机可以混合 62 种基本元素，如锌、铝和钛，并将它们转换成不同比例混合的纳米材料。这种灵活性也使其可用于多种应用，例如捕获 CO₂ 转化等。

“纳米打印机将新型纳米粒子的开发时间从数年缩短到数天甚至数小时。”—— Aaike van Vugt，VSPARTICLE 首席执行官

这种气溶胶打印技术源自代尔夫特理工大学的安德列亚斯·施密特（Andreas Schmidt Ott）教授（见火花简史｜闪电也能制备纳米材料？）。通过在电极靶材两端施加高压，形成脉冲式的火花放电，从而实现靶材的迅速气化，形成纳米气溶胶粒子。而纳米打印机的原理便是通过调节气量以及喷嘴运动，实现纳米气溶胶颗粒冲压式的沉积，从而在无需墨水的作用下实现图案化的线路绘制。

模式转变即将到来

Aaike 认为，“我们正处于精细纳米结构制备方式范式转变的前夜。纳米打印机通过将纳米粒子的开发时间从数年减少到数天甚至数小时，并大大减少制氢所需的铱量，使电解制氢的过程更便宜”。与一般的化学方法相比，VSParticle 不需要繁琐的化学合成，只需要轻轻一键，便可获得目标纳米粒子，从而构筑全新的催化剂体系。

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高可重复性

当前用于生产电催化膜的化学工艺很难实现突破。“化学就像煮番茄汤”，Aaike 认为'你必须准确地测量所有成分并准确地按时添加它们以获得正确的结果。一个小错误就会导致合成失败。而且因为纳米颗粒合成造成出错的机率更高，因此获得正确的纳米粒子合成工艺往往需要几个月的时间。VSParticle 则使用 Nanoprinter 使该过程自动化，只需按一下按钮，就能持续不断的获得相同的结果。可以减轻研究人员的负担，并可以极大地加速开发。

更少的铱催化剂

位于埃因霍温科技大学的 DIFFER（荷兰基础能源研究所）通过使用 Nanoprinter 进行测试，得到了良好的结果。DIFFER 研究小组负责人 Michail Tsampas 解释说：“一开始，我们认为几乎不可能减少制氢所需的 Ir（铱）含量。” 他一直在寻找替代方法，如使用其他类型的催化剂。但经过几次测试，我们意识到，使用 VSPARTICLE 技术，您可以使用更少的 Ir 获得理想的制氢效果。目前制氢对于 Ir 的依赖是无法改变的，但成本的高昂却是市场服务承受的，因此 VSParticle 的方法减少了 Ir 的使用量，有望进一步应用在实际制氢环节中。

“规模化制备总是困难的，但凭借 VSPARTICLE 在第一次产品迭代后展示的稳定结果和可靠性，我相信他们会成功。”—— Michail Tsampas，DIFFER 研究小组负责人

减少碳排放

该技术的另一个优点是不需要额外的化学制剂。Aaike 说：“纳米打印机只需要消耗一定的电力，将靶材利用物理方法制成纳米气溶胶”。“因此，整个催化剂的生产过程不需要化学试剂。” Michail：“这个纳米打印机，有效减少了氢气生产过程中的的 CO₂ 排放。同时由于该过程是完全自动的，因此比当前其它方法快很多倍。它减少了催化转化的生产步骤，减少化学废物的排放。”

加速创新的孵化器

该试点项目还涉及位于鹿特丹的由 Deltalinqs、鹿特丹港、InnovationQuarter、FME 和 TNO 合作建立的工业电气化现场实验室 FLIE，旨在进一步测试纳米打印机的性能，用于清洁能源的开发。FLIE 和 InnovationQuarter 的业务开发人员 Jeroen Eblé 说：我们在共同的目标中相互进步，以加速将创新引入市场并推动初创公司提供有新的解决方案。” FLIE 通过促进云访问和建立实验室来帮助类似 VSPARTICLE 等创新公司测试他们的技术。

“FLIE 为我们提供了进行现场测试的机会，以证明纳米打印机在工业环境中的稳健性和稳定性。”—— Aaike van Vugt，VSPARTICLE 首席执行官

关于 VSParticle

VSPARTICLE 的商业模式旨在销售用于研究和产品开发的纳米平台工具，并在不久的将来用于工业生产。这家公司现已在全球累积了众多用户以及合作伙伴，包括研究型大学和学术机构，也包括从事催化剂开发和其它应用的产业公司。未来，Aaike 预计将拥有更多多化学品公司加入 VSParticle 的行列，以加快、简化纳米材料的制作流程。