哈工大&理化所&天大AM：多元仿生电极实现电解水产气的3D可控输运

自然界中丰富的界面结构赋予了生物神奇的力量。例如，仙人掌的锥刺结构可以帮助仙人掌从干涸的沙漠环境中汲取雾气，潜水钟蜘蛛腹部的超疏水结构可以捕获气泡供其在水下呼吸，荷叶的不对称浸润性结构可以定向调控固/液界面的相互作用。合理糅合不同的生物启发，可以构建具有丰富/特殊功能的界面材料，为新材料、新器件的设计提供有价值的思路与方法，也可为解决工业生产问题提供灵感。

通过引入潜水钟蜘蛛、荷叶及仙人掌的自然灵感，哈尔滨工业大学马军院士团队与中科院理化所江雷院士团队、天津大学曹墨源博士团队仿生构筑了一种具备双重梯度（浸润性梯度和形状梯度）的三维电极材料（图1）。该双梯度界面不仅可以自驱动水下气泡的三维输运，还可以操控电解产物微气泡的定向富集。基于所制备的新型电极材料，研究团队首次利用仿生界面气泡操控手段实现了电解水系统氢气与氧气的原位拆分与收集，为全电解水产物分离难题提供了一种全新的解决方案。相关研究成果近期发表在Advanced Materials上，并被期刊选为Front Cover进行亮点报道。

图1. 仿生双梯度电极的设计理念。图片来源：Adv. Mater.

研究团队首先构建了具有梯度异质结构的Janus泡沫结构（图2a）。该Janus泡沫结构不仅可以驱动单个气泡的快速反浮力穿透（0.007 s），还可以操控连续气泡的反浮力输运（图2e-2f）。当超疏水面朝上放置时，气泡在表面迅速铺展（图2g-2h）。为了更直观地分析气泡在梯度结构上的输运机理，研究者引入了表面能计算分析，结果与受力分析及实验现象完全吻合（图2c-2d，图3a-3b）。

图2. 气泡在单梯度Janus界面上的反浮力穿透和表面铺展过程。图片来源：Adv. Mater.

基于仙人掌的启发，研究者在具有体相浸润性梯度Janus材料上引入界面形状梯度，并构造了具有双维梯度的Janus三角形泡沫（图3）。该双梯度界面可同时驱动水下的反浮力穿透与表面输运，从而实现对水下气泡的三维操控。需要指出的是，利用该双梯度界面进行的气泡三维操控不仅速度快（毫秒级别），而且不需要外界能量供给。改变该双梯度界面的尺寸或形状梯度张角均可以调节其对气泡的负载量。

图3. (a-b) 双梯度界面自驱动水下气泡三维输运与表面输运。图片来源：Adv. Mater.

研究者将前述的双梯度金属泡沫作为阳极进行电解水测试，发现其同样可以驱动电解生成微气泡的定向富集与三维输运（图4）。双梯度泡沫电极在进行水电解时主要在疏水面生成气泡，微气泡快速穿透泡沫再沿表面输运至三角形根部。与单梯度的疏水、超疏水电极相比，双梯度Janus电极更好地兼具了气体输运能力与电解效率。根据电极间距与电流的关系，构建紧凑型电解水系统可明显提高电解效率。进而，研究者将一对双梯度电极互补放置并构建紧凑型全解水系统，电极间距可减少至1 mm而不发生气体互混，实现了以电极为载体的水下原位H₂/O₂拆分。

图4. 双梯度金属泡沫阳极的气泡输运特性与电解特性。图片来源：Adv. Mater.

基于上述研究，研究者构建了阶梯排列的电极阵列及紧凑型一体化电解水装置，实现了同步的电解水产气、微气泡定向输运与收集（图5）。全解水试验结果表明，所构建的电解水系统可以进行稳定的电解水产气与产物的拆分收集。

图5. 电极阵列的设计及全解水应用。图片来源：Adv. Mater.

总结

该研究通过多元仿生糅合设计手段构筑了可自发输运气泡的双梯度电极，在此基础上搭建了紧凑型一体化电解水装置，能够在限域空间内定向输运并收集电解产物微气泡，实现了以电极为载体的电解水产物气体原位拆分。研究结果不仅为无隔膜简化结构的电解池设计提供了新的思路，而且有望发展出一种基于电极界面结构实现电解水产物拆分的新体系。

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A Multi‐Bioinspired Dual‐Gradient Electrode for Microbubble Manipulation toward Controllable Water Splitting

Zhiyun Long, Yuyan Zhao, Chunhui Zhang, Yuheng Zhang, Cunming Yu, Yuchen Wu, Jun Ma, Moyuan Cao, Lei Jiang

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201908099