▲第一作者：王李强、殷迪、James Utama Surjadi

通讯作者：宋旭、何颂贤、陆洋

通讯单位：香港中文大学、香港城市大学、香港大学

论文DOI：10.1038/s41467-025-62489-0

香港大学陆洋教授课题组长期致力于金属点阵超材料的极端制造与多功能应用研究，取得了一系列重要研究成果。在纳米尺度领域，课题组创新性地开发了中熵合金壳核纳米点阵超材料（Materials Today 2021, 42: 10-16）；在微米尺度方面，通过氧化物弥散策略实现了纯铜点阵超材料的亚百微米级高精度激光增材制造（Nature Communications, 2025, 16(1): 3234），并基于位错调控的3D打印技术成功实现了纳米-宏观跨尺度一体化协同制造（Nature Communications, 2025, 16(1): 7273）。在应用研究方面，课题组系统性地推进了金属点阵超材料在太赫兹天线通信、高效热电器件（Nature Communications, 2023, 14(1): 2069）、一体式催化电极以及超音速抗冲击防护（Science Advances, 2025, 11(19): eadt0589）等领域的多功能应用。

香港大学陆洋团队与合作者开发了位错调控的一体式3D打印策略，成功制备出具有表面纳米结构的FeCoNi双尺度壳点阵超材料催化剂。该催化剂在硝酸盐还原反应中表现出95.4%的法拉第效率和20.58 mg h⁻¹ cm⁻²的氨产率，并具有超过500小时的长期稳定性。

电催化硝酸盐还原反应(NO₃RR)是实现可持续绿色能源转换和废水处理的重要途径。传统催化剂制备策略通常先制备催化层再加载到底物上，形成明显的异质界面，容易出现脱落、接触电阻、机械失稳等问题，导致性能下降。虽然无粘结剂自支撑催化剂部分改善了这一问题，但仍无法从根本上解决异质界面带来的挑战。

创新制造工艺：通过螺位错调控的3D打印策略，实现了宏观电极制造与表面纳米材料生长的一体化，从根本上避免了传统催化剂中异质界面薄弱的问题。

独特结构设计：双尺度三重周期最小表面(TPMS)螺旋结构具有超高曲率，促进位错增殖，产生不均匀晶格应变场。

卓越催化性能：FeCoNi催化剂在硝酸盐还原反应中实现95.4%的法拉第效率和20.58 mg h⁻¹ cm⁻²的氨产率。

工业级应用潜力：展现了卓越的空间设计自由度、3倍以上的机械性能提升、在流通式电解槽中连续进行工业规模绿色氨合成的能力。

位错调控3D打印策略实现催化剂一体化制造

集成制造：研究团队采用数字光处理(DLP)技术制备3D水凝胶支架，随后浸入金属盐前驱体溶液，经过煅烧和还原处理，最终获得具有等原子比的FeCoNi多组分超材料。

多尺度设计：双尺度三重周期最小表面 (TPMS) 螺旋超材料设计策略实现了极高的平均绝对曲率。

工艺优化：通过调节金属盐前驱体的过饱和度和热处理参数，实现了从逐层生长到螺位错驱动螺旋生长模式的转变。超材料展现出了跨越七个数量级的层次化 3D 拓扑特征，纳米尺度上，台阶状纳米结构表现出周期性的二维图案阵列以及独特的手性螺旋。

图1. 多尺度超材料的形貌与微观结构

位错增殖与应变工程

螺位错生长机制：采用高角度暗场扫描透射电子显微镜观察横截面微观结构,揭示了台阶状表面纳米结构主要是由螺位错生长机制控制。

三维应变场：3D打印的多尺度曲率设计引入了额外的几何不兼容弹性能，弯曲空间中的位错增殖产生大量不均匀晶格应变场。这种高密度位错网络不仅增强了NO₃⁻的吸附，还降低了NO₃⁻-to-NH₃转化的能垒。

图2. 位错分析

图3.曲面上的位错增殖与应变工程

卓越的电催化性能

高选择性与产率：法拉第效率达 95.4%；NH₃ 产率高达 20.58 mg·h⁻¹·cm⁻²。

宽电位窗口表现优：在 −0.5 ~ −0.7 V vs RHE 区间保持 >90% FEₙₕ₃；‐0.5 V 时，半电池能效峰值约 30.3%。

优异稳定性：稳定运行可达 >500 h。

理论计算：螺位错生长导致的阶梯缺陷和晶格应变协同作用，显著增强了NO₃⁻吸附并降低了反应能垒。

图4. 超材料催化剂的NO3RR性能

图5. 催化机制的理论分析

工业化应用展示

力学性能优势：双尺度螺旋点阵超材料的“无节点”特性使其能够更均匀地分配应力，实现了3倍以上的强度以及能量吸收性能提升。

连续氨收集：团队设计了三室反应器，将流通式NO₃⁻还原电解槽与膜基氨吸收单元集成，实现了NH₄Cl肥料产品的连续生产。该装置在工业级电流密度下稳定运行200小时以上，氨收集效率超过91.3%。

图6. 机械性能和氨产品收集

团队开创性地将螺位错生长策略引入3D打印过程，实现了从纳米到厘米尺度的多级结构一体化制造，为高性能电催化剂的设计提供了新思路。通过精确控制超材料曲率，实现了可调的3D晶格应变工程，显著提升了催化活性和稳定性。未来，这种螺旋位错调控的3D打印策略有望拓展至其他催化体系，推动3D打印技术在能源转换和环境保护等领域的广泛应用。