Advanced Materials:多元仿生电极助力电解水产物原位分离

氢能被称为21世纪最具发展潜力的可再生清洁能源之一,其储能密度高、环境负荷极低。电解水制氢不仅是氢能源的绿色获取方式,还是储存过剩电力的理想途径。在电解水系统中,氢气与氧气同步生成且容易互混。因此,如何拆分氢气与氧气成为实际生产中的关键问题。传统的解决方法是采用离子交换膜将阴阳极隔开,但离子交换膜成本高且需经常更换。近年来涌现出一批无隔膜电解池设计,其摒弃了离子交换膜并利用微流控技术来分离氢气和氧气。虽然无隔膜设计简化了电解池构造,但是应用微流控系统需要精密的仪器和额外的能量输入。因此,发展具有自发流体输运能力的电解系统,就显得尤为重要。

自然是人类在面临工业生产问题时寻求解决思路的源泉。经过亿万年的进化,生物体所采取的流体输运方式往往具有明显的高效、低耗、快速等特征。基于潜水钟水蜘蛛(水下气泡捕获)、荷叶(不对称浸润性界面)及仙人掌(几何不对称界面)的自然启发,哈工大马军院士团队联合中科院理化所江雷院士团队与天津大学曹墨源博士团队首次利用仿生界面气泡操控手段实现了电解水产物H2/O2的原位拆分与收集。所构筑的仿生界面具备双梯度(浸润性梯度和形状梯度)结构,不仅可以自发驱动水下气泡的表面定向运动与反浮力穿透,还可以原位操控微小气泡的定向富集。基于所构建的仿生电极,研究者构建了阶梯排列的电极阵列和紧凑型一体化电解水装置,实现了同步的电解产气、气泡定向输运与收集。

此项研究提出了一种基于电极界面结构实现电解水气体拆分的新方法,为无隔膜简化结构的紧凑式电解池设计提供了新的思路。相关成果发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201908099),并被选为Front Cover进行亮点报道。