清華新聞網(wǎng)9月28日電 電解水制氫被廣泛認(rèn)為是促進(jìn)全球碳中和的關(guān)鍵組成部分。然而在更高的電流密度下，改善傳質(zhì)過(guò)程是工業(yè)電解的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。氣泡粘附是降低傳質(zhì)效率的核心問(wèn)題。因此，如何及時(shí)地將氣泡沿最優(yōu)路徑排出，并有效地釋放氣泡積聚所產(chǎn)生的應(yīng)力是迫在眉睫的問(wèn)題。發(fā)展不對(duì)稱(chēng)的超親氣微結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)氣泡在液態(tài)流體中的定向輸運(yùn)，但對(duì)于在疏氣表面上長(zhǎng)距離輸運(yùn)的氣體，其設(shè)計(jì)規(guī)律和相關(guān)方法的探索很少。設(shè)計(jì)長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電催化過(guò)程中的氣泡管理是一個(gè)有效策略，然而目前缺乏相關(guān)的研究和概念性驗(yàn)證，因此設(shè)計(jì)獨(dú)特結(jié)構(gòu)電極對(duì)于解決納米結(jié)構(gòu)電極的穩(wěn)定性具有重要意義。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院楊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種獨(dú)特的層狀蕨類(lèi)合金氣凝膠（LFA）作為自支撐電極，具有獨(dú)特的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)排氣性，可以有效避免氣泡聚集引起的應(yīng)力集中。LFA電極本質(zhì)上具有高催化活性，并顯示出高度多孔、彈性、分層有序和良好滲透的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。它不僅表現(xiàn)出卓越的氣體排出能力，而且在高電流密度下也表現(xiàn)出顯著改善的穩(wěn)定性，納米結(jié)構(gòu)得到很好的保留。在1000 mA cm-2下表現(xiàn)出最低的析氧反應(yīng)（OER）過(guò)電位244 mV，連續(xù)催化OER超過(guò)6000小時(shí)。可在陰離子交換膜電解槽（AEMWE）中作為自支撐的催化電極以及氣體擴(kuò)散層，在1.88 V的電壓下達(dá)到3000 mA cm-2的超高電流密度。該策略作為多相催化應(yīng)用的一般設(shè)計(jì)規(guī)則，可以擴(kuò)展到各種氣體演化反應(yīng)。
蕨類(lèi)植物通常具有堅(jiān)固剛性的軸和豐富且相對(duì)柔軟的羽片，可以通過(guò)彈性變形提供定向應(yīng)力釋放，避免應(yīng)力集中。研究利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)合成方法成功制備了具有設(shè)計(jì)的“軸”和“羽片”結(jié)構(gòu)的蕨類(lèi)結(jié)構(gòu)形態(tài)的LFA。值得注意的是，較厚的Ni納米線（NWs）作為“軸”骨架，提供了優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械性能。
這種蕨類(lèi)結(jié)構(gòu)不僅可以使高密度活性位點(diǎn)充分暴露在高表面積的NiFe“羽片”上，而且由于強(qiáng)大的毛細(xì)力，有利于電解質(zhì)的快速吸收和氣泡的有效釋放，提供了一種獨(dú)特的動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制，有助于復(fù)雜多相流環(huán)境中的傳質(zhì)。
圖1.LFA的制備與形貌
LFA和DFA（無(wú)序蕨類(lèi)氣凝膠）電極在排氣性上有明顯的偏差。LFA中的中間層為氣泡輸送提供了連續(xù)有序的微通道，在排出氣泡時(shí)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)自適應(yīng)特性，因此氣泡積聚和粘附最小。與LFA中有序的片層結(jié)構(gòu)不同，DFA電極會(huì)發(fā)生氣泡聚集和生長(zhǎng)。因此， LFA電極捕獲的氣泡平均尺寸遠(yuǎn)小于DFA，而DFA電極捕獲的大氣泡更多。同時(shí)，氣泡在LFA電極上的停留時(shí)明顯短于DFA電極。
為了研究排氣效率的提高對(duì)納米結(jié)構(gòu)自支撐催化劑穩(wěn)定性的影響，研究使用了原位全內(nèi)反射（TIR）成像技術(shù)。隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，DFA電極的催化活性衰減區(qū)明顯大于LFA。在OER過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，DFA中的由氣泡累積而導(dǎo)致的應(yīng)力積累將不可避免地導(dǎo)致電極的結(jié)構(gòu)破壞。通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀察，研究發(fā)現(xiàn)氣泡的高效釋放大大提高了自支撐納米結(jié)構(gòu)催化電極的穩(wěn)定性。
圖2.LFA和DFA的氣泡排出特性
相關(guān)研究成果以“動(dòng)態(tài)自適應(yīng)排氣的層狀蕨類(lèi)合金氣凝膠自支撐電極改進(jìn)析氧反應(yīng)”（Dynamically adaptive bubbling for upgrading oxygen evolution reaction using lamellar fern-like alloy aerogel self-standing electrodes）為題發(fā)表在在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院楊誠(chéng)副教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)碩士生王娟，論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉樂(lè)副研究員、2017級(jí)碩士生梁才武、2021級(jí)碩士生馬旭陽(yáng)、2018級(jí)博士生劉鵬、2020級(jí)博士生朱浩杰等。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省熱管理工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市科創(chuàng)委、深圳蓋姆石墨烯中心等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202307925
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
