镍掺杂3D打印蜂窝状碳微晶格：可持续制备与功能化微结构碳材料

本研究通过开发含镍复合光敏树脂，实现了立体光刻(SLA)3D打印技术制备微结构碳电极的绿色生产。创新性地采用20-25%水含量降低热解有机废物排放，利用镍离子催化在1000°C实现石墨化，较传统工艺节能显著。特别发现NiCl2 ·6H2 O离子源可使电阻率降低50%，并赋予材料双功能电催化水分解性能，为可持续制备功能化碳微结构提供了新范式。

　　

在追求碳中和的时代背景下，传统碳材料制备面临两大痛点：高温石墨化过程能耗巨大（通常需2000-3000°C），以及光敏树脂热解产生大量含多环芳烃的有机废物。日本东北大学、东北学院大学与南方科技大学等机构的研究团队在《iScience》发表突破性成果，通过材料创新与工艺革新，将3D打印技术与催化石墨化相结合，开辟了碳材料绿色制造新路径。

研究团队开发了含20-25%水分的复合光敏树脂体系，创新性地采用镍纳米颗粒(Ni NPs)和六水合氯化镍(NiCl₂
·6H₂
O)作为催化源。通过立体光刻3D打印技术构建蜂窝状微晶格(hCMLs)，在1000°C真空热解过程中，水分子既作为"分子致孔剂"降低材料密度，又作为离子载体实现镍的均匀分散。关键突破在于发现离子态镍源可诱导形成相互连通的石墨化区域，使电阻率降低至0.258±0.071 Ω·cm，较传统工艺制备的碳材料提升50%。

主要技术方法
采用LCD-SLA 3D打印技术制备蜂窝状树脂支架；通过真空热解工艺（5°C/min升至400°C保持4h，10°C/min升至1000°C保持4h）实现碳化；运用Cs校正透射电镜(TEM/STEM)和拉曼光谱分析石墨化程度；建立定制二探针系统测量电阻率；在1M KOH溶液中测试氢/氧演化反应(HER/OER)电催化性能。

宏观结构表征
研究发现水含量增加使hCMLs密度降低，暗示碳基体中亚纳米级孔隙增多。有趣的是，含25%水分的树脂经热解后体积仅缩小4-5%，但尺寸保持完整蜂窝结构，x/y/z轴均匀收缩至原型的33-36%。镍掺杂虽导致样品xy平面翘曲，但使最终产物镍含量提升1.5倍。

纳米结构表征
电镜揭示镍纳米颗粒被5-100nm厚石墨碳层包裹，形成类似"杯叠型"碳纳米管结构。拉曼光谱显示NiCl₂
·6H₂
O样品I_D
/I_G
值显著降低，证实离子态镍源促进sp²
杂化碳域形成。XRD谱图中3.41?处的(002)峰证实低温石墨化成功，且离子源样品衍射峰强度更高。

电催化性能
原始hCMLs在HER/OER中几乎无活性，而NiCl₂
·6H₂
O改性样品展现双功能催化特性。虽然研磨成粉后性能进一步提升（η_HER
=0.27V，η_OER
=0.35V），但研究者指出当前结构存在优化空间：石墨碳包覆层虽保护镍催化剂免于氧化，但会增大反应过电位；毫米级厚度和多尺度孔隙导致本征电阻仍较高。

这项研究的重要意义在于：首次实现水基光敏树脂与离子催化剂的协同应用，将树脂消耗降低25%，石墨化温度降低1500°C以上；开发的hCMLs兼具结构完整性与功能特性，电阻率改善50%，为后续设计"结构-功能一体化"电极材料奠定基础。研究者建议未来可尝试镍基合金催化剂和CO₂
活化工艺，进一步优化催化活性位点暴露程度，推动该技术在能源存储与转换领域的实际应用。