現(xiàn)有工業(yè)化的水電解制氫過程中，均有隔膜的存在，隔膜的高電阻和破損往往帶來很多問題。與此同時(shí)，對于很多強(qiáng)腐蝕電解質(zhì)（如NH₄F）中的電解過程，需要采用無膜的形式。無膜水電解的最大問題在于氫氧混合，必須續(xù)接深冷液化氫氧分離，否則只能被動(dòng)增大電極間距，但這會帶來能耗劇增。因此，如何設(shè)計(jì)新型電極，能滿足在短電極間距無膜電解中仍能高效分離氣體，避免氣體混合，對推動(dòng)無膜電解技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

近日，北京化工大學(xué)孫曉明教授、羅亮副教授和清華大學(xué)的段昊泓副教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種特別的傾斜微錐陣列（TMCA）電極，該電極模板是利用摩方精密nanoArch^® P140 （精度：10 μm）3D打印設(shè)備加工而成，表面氣泡接觸角約130°，具有“滑移疏氣”特性。基于電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重力輔助拉普拉斯力，引導(dǎo)氣泡沿微錐電極表面斜向上定向滾動(dòng)輸運(yùn)，最終使氣泡貼電極表面快速向上移動(dòng)，而非進(jìn)入電解液，從而實(shí)現(xiàn)自發(fā)高效的陰陽極氣體產(chǎn)物分離。該成果以“Unidirectional Bubble Transportation on Slippery Micro-Cone Array Electrodes Enables Spontaneous 99.99% Gas Separation in Membrane-less Water Electrolysis”為題，發(fā)表在英國期刊《EES Catalysis》上。

圖1. 不同電極表面氣泡行為的示意圖，比較了傳統(tǒng)超疏氣電極、超親氣電極和滑移疏氣電極的氣泡傳輸方式。

圖2. 傾斜微錐陣列（TMCA）電極的制造過程，包括3D打印、電鍍銅和鉑層的步驟，以及SEM圖像和元素分布。

通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)結(jié)合金屬電鍍工藝，成功制備了傾斜微錐陣列（TMCA）電極。SEM圖像顯示錐體傾斜角度可控（10°–60°），Cu和Pt元素均勻分布，確保高導(dǎo)電性與催化活性。這種分層結(jié)構(gòu)受到仙人掌刺和松針的啟發(fā)，通過表面工程調(diào)控潤濕性，為氣泡定向傳輸?shù)於嘶A(chǔ)（圖2）。

圖3. 電極浸潤性對氣泡輸運(yùn)行為的影響，比較了傳統(tǒng)超疏氣電極、超親氣電極和滑移疏氣電極的氣泡傳輸方式。

親氣表面（CA=32°）因高黏附力導(dǎo)致氣泡滯留；超疏氣表面（CA=165°）氣泡隨機(jī)脫離；而“滑移疏氣”表面（CA=130°）兼具適度垂直黏附力與低橫向黏附力，使氣泡以“滾動(dòng)”模式單向傳輸。通過調(diào)控電鍍條件優(yōu)化表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)了氣泡高效定向收集，避免電極活性位點(diǎn)阻塞（圖3）。

圖4. 不同傾斜角下的TMCA電極氣泡行為，描述了TMCA電極上的氣泡受力情況，分析了微錐傾斜角度對氣泡啟動(dòng)直徑、滾動(dòng)速度和脫離時(shí)間的影響。

微錐傾斜角度（α）顯著影響氣泡啟動(dòng)直徑和運(yùn)動(dòng)速度：α=50°時(shí)，氣泡直徑最?。?6±4 μm）、滾動(dòng)速度最快（25±3 cm/s），且脫離周期最短（18 ms）。力學(xué)分析表明，傾斜角可以通過調(diào)節(jié)浮力分量與拉普拉斯壓力協(xié)同驅(qū)動(dòng)氣泡定向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖4）。

圖5. TMCA電極在電解水中的電催化性能，包括極化曲線、電流密度與電極間距的關(guān)系以及氣體純度測試結(jié)果。

最終，微錐的傾斜角度在 50°，陰陽極相距1.5mm時(shí)，可優(yōu)化氣泡的滾動(dòng)速度和脫附效率，減少氣泡在電極表面的停留時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高電流密度下99.99%氣體分離純度。此外，該方法無需依賴昂貴的膜材料或額外的涂層引入，為苛刻條件下無膜電解水電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的策略（圖5）。