电解水制氢作为一种高效、环保的制氢方式，越来越受到关注。然而，电解水制氢产生的气泡会粘附在电极表面占据反应活性位点，形成“气泡屏蔽”效应，阻碍传质，从而导致电解水反应效率降低。在自然界中，一些生物具有特殊的表面结构，有助于流体的高效运输。例如，猪笼草通过楔形微槽实现水滴定向输送，以保持口缘表面湿滑。Morpho蝴蝶翅膀表面分层各向异性微/纳米结构有利于水滴向外滚动，使蝴蝶能够保持身体干燥。受此启发，北京航空航天大学田东亮教授等人开发了一种具有气泡导流功能的各向异性凹槽-微/纳米结构多孔电极（GMPE）。该电极的多孔结构和凹槽微图案之间产生的不对称拉普拉斯压力差以及气泡浮力的协同效应，促使反应产生的气泡产物能及时定向扩散、传输、脱离电极表面，实现高效率电解水制氢。相关工作以“Bubble-Guidance Breaking Gas Shield for Highly Efficient Overall Water Splitting”发表在《Advanced Materials》。田东亮教授为通讯作者，文章第一作者为北京航空航天大学博士生李玉梁

通过激光蚀刻泡沫镍表面和随后电沉积工艺制备凹槽-微/纳米结构多孔电极（GMPE）。GMPE呈现出具有无定形纳米阵列的各向异性凹槽微图案。其中，气泡在GMPE-400-350表面的静态接触角和动态接触角表明其具有各向异性的润湿行为。

图1. 各向异性凹槽-微/纳米结构多孔电极制备及表征。

GMPE电催化析氢反应（HER）测试、流体动力学模拟、浸润性和气泡粘附力测试证实：相比于平面-微/纳米结构多孔电极（PMPE），GMPE（尤其是GMPE-400-350）上的凹槽微图案有利于促进附着电极表面的小尺寸气泡及时释放，避免在电极表面形成“气泡屏蔽”，从而降低HER过电位。

图2. 各向异性凹槽-微/纳米结构多孔电极的气泡脱离行为。

相比传统PMPE，各向异性GMPE-400-350在碱性条件下具有更优异的电催化HER和OER（析氢反应）性能。以GMPE-400-350为双功能电催化剂的电解池可实现高效全解水，所需1.46 V就可以提供10 mA cm -2的电流密度。

图3. 各向异性凹槽-微/纳米结构多孔电极电解水测试。

得益于GMPE-400-350的各向异性凹槽-微/纳米结构，GMPE-400-350更易生成小尺寸气泡，降低气体产物在电极表面传输阻力，增加了电化学反应区域，因此降低气泡引起的活化过电位效应。同时，GMPE-400-350的各向异性梯度结构和气泡的浮力协同作用，促进了气体产物沿平行于凹槽微图案方向的定向运输，从而提高了电解水制氢效率。

图4. 各向异性凹槽-微/纳米结构多孔电极的高效电解水制氢示意图。

小结

作者通过激光刻蚀技术和后续电沉积方法制备了各向异性凹槽-微/纳米结构多孔电极，它具有独特的气泡导流功能，可实现高效电解水制氢。当发生气体析出反应时，多孔电极结构产生的不对称拉普拉斯压力差和气泡浮力促进了气体产物在电解质中的扩散和转移。同时，凹槽微结构还起到空隙通道的作用，有效地引流电极原位产生的气泡产物。此外，电极表面的纳米片阵列提供了固液气三相平衡的微环境，实现了气泡的低粘附性，这项工作对涉及光/电析气反应电极的设计及应用具有借鉴意义。

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来源：高分子科学前沿

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