西安交通大学徐强JACS：高效协调手段实现电解水气泡控制

研究内容

有效管理电极表面上的气泡行为仍然是提高水电解性能的一个重大挑战。

西安交通大学徐强从荷叶的不对称润湿性、红树林呼吸根的选择性气体吸收能力和仙人掌刺的定向液体输送机制中获得灵感，开发了一种集润湿性和几何梯度于一体的仿生电极。该设计利用两个梯度引起的拉普拉斯压差来减轻三相接触线的钉扎效应，并驱动定向三维气泡传输，从而显著提高析氢反应性能。电解质离子强度的调节与电极结构设计协同作用，在没有外部场辅助的情况下，电势降低了22.47%。高离子强度降低了电荷转移电阻，并通过增强的溶质马兰戈尼效应促进了气泡的快速分离。所构建的分形结构电极实现了95.80%的法拉第效率，在连续产生、定向传输和有效收集氢气泡方面表现出优异的稳定性。相关工作以“Bubble Management via Synergy of Dual-Gradient Electrodes and Electrolytes for High-Efficiency Water Electrolysis”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者提出了一种整合多种生物灵感的创新策略，并验证了电极功能分区的新设计概念。通过构建包括亲水性反应区和疏水性传输区的Janus电极结构，实现了电化学反应和气泡传输之间的协同优化。

要点2. 电极结构包括三个核心功能区：1. 在泡沫铜的一侧原位生长具有高比表面积和丰富活性位点的Cu（OH）2/CuO纳米线阵列，确保亲水区的高效HER。2. 通过模拟荷叶和红树林根的结构特征，构建了Janus润湿性梯度促进亲水反应区产生的气泡自发渗透到疏水传输区。3. 从仙人掌刺的形态和甲虫梯度策略中汲取灵感，在疏水传输区实施了几何梯度设计。

要点3. 利用拉普拉斯压力差来驱动气泡向根部的定向传输，克服了传统单润湿性梯度表面中的气泡粘附问题。高离子强度引起的溶质马兰戈尼效应与双梯度结构产生的拉普拉斯压力协同作用，加速了气泡的传输和分离。

这种设计实现了对整个气泡的三维管理，包括渗透、运输和分离，同时保持了高电化学活性，为先进的气泡管理和优化氢气生产的水电解提供了新的见解。

研究图文

图1.仿生双梯度泡沫铜电极的设计灵感和制作方法。

图2. 改性前后泡沫铜表面的SEM和接触角图像。

图3.双梯度铜泡沫上气泡的自发单向渗透和定向传输。

图4.不同泡沫铜电极在0.1 M离子强度（0.1 M KOH）水电解过程中的电化学性能和气泡演化行为。

图5. 在-30 mA的恒定电流下，双梯度电极（顶角6°）的水电解性能。

文献详情

Bubble Management via Synergy of Dual-Gradient Electrodes and Electrolytes for High-Efficiency Water Electrolysis

Mengsha Wang, Jinfeng Li, Chenyu Pei, Yonglu She, Liejin Guo, Qiang Xu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c18681

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