電解水在可持續能源發展和環境污染方面具有零排放和高效能源轉換的優勢。然而，在電解水的過程中，通常會受到由浮力引起的電極氣泡脫落的強烈影響，從而降低了電解池在太空等惡劣環境中的性能。電解水過程中生成的H2氣泡黏附在電極表面，導致氣泡屏蔽效應，阻礙離子的傳質，降低電極催化層的有效活性位點，增加歐姆過電位和電解析氫的能量成本，最終導致電催化活性和穩定性變差。因此，如何在微重力等極端環境下有效地控制電極表面氣泡的生成，從而加快電解環境的離子傳輸并提升電解水制氫效率，成為了在極端環境下進行電解水制氫發展的關鍵問題。
為了克服這些挑戰，哈爾濱工業大學帥永教授團隊提出了一種具有高效氣液分離效率的仿生Janus微通道，并將其應用在微通道電解制氫領域以提高催化效率。相關成果以“Bionic Janus microfluidic hydrogen production with high gas-liquidseparation efficiency”為題發表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。這項研究的主要貢獻者包括王小龍、熊勁松、謝明鑄等人。通訊作者為哈爾濱工業大學王兆龍教授和哈爾濱工業大學帥永教授。哈爾濱工業大學為該論文的第一通訊單位。
首先，受到大自然中樹木的通氣組織和水分運輸功能的啟發，通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL） 3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10 μm），設計制造了一種具有主動式氣液分離的仿生Janus微通道（圖1）。微通道上方有大量規則排列的微孔，這些微孔的外表面經過超親氣不對稱界面處理后，形成具有Janus特性的仿生功能膜，在拉普拉斯壓力差的作用下實現超快速氣液分離。并通過高速攝像機和微量泵探究微通道內最佳的氣體通量和流體注射速率。
圖1. 具有主動式氣液分離的仿生Janus微通道
然后，作者通過不同微通道微孔超親氣處理深度，探究氣液分離效率。通過圖2可以觀察到，不經過任何處理后，微通道內的氣柱仍然沿微通道方向行進，不受微通道氣體出口的影響。當微孔頂端及側壁均經過超親氣處理后，Janus仿生微通道能夠在40 ms內實現6 μL氣柱的單向輸運。除此之外，不同截面形狀的微通道對于氣泡單向輸運都會產生不同影響，并針對矩形、倒三角形界面微通道進行力學理論分析。
圖2. 超親氣處理深度與微通道截面形狀對氣液分離效率的影響
隨后，通過對最佳微通道流體注射速率、氣體通量及截面形狀的探究后，研究團隊將具有主動式氣液分離的仿生Janus微通道應用到電解水制氫中（圖3），這種獨特類型的微通道可以高速捕獲和單向操縱水電解反應過程中電極表面產生的氫氣（H2）氣泡，并具有長期穩定性。通過將微通道置于不同角度，探究其在微通道制氫中的氣液分離能力，為微重力等極端環境中的應用提供實驗支撐。
圖3. 不同角度仿生 Janus 單微通道電解制氫實驗
此外，研究團隊對模擬樹葉形狀的仿生多微通道進行電解水制氫實驗（圖4），并探究復雜圖案制氫微通道中電極表面與Janus膜間距對氣體單向輸運及收集的影響。經過兩小時的長時間電解水制氫，多微通道制氫反應發生器表現出優異的電解穩定性。
圖4. 復雜圖案仿生 Janus 多微通道電解制氫實驗
最后，作者還展示了一種獨特的具有特殊仿生Janus微通道的3D仿生樹用于電解水制氫（圖5），它實現了三維立體結構中的氣液高效率分離，并表現出優異的穩定制氫性能，且與浮力無關。
圖5. 3D仿生樹用于電解水制氫實驗
本研究提出的高效電解水制氫仿生Janus微通道，在操控電極表面生成的氣泡從而加快電解環境的離子傳輸，提升電解水制氫效率方面表現出優異性能，且具有長期穩定性。除此之外，這種通過濕潤性不對稱界面改性的氣體操控方法，適用于微重力等極端環境，為在太空中高效、可靠地生產和利用氫氣提供一種新思路。
本研究得到了國家自然科學基金支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155261
