北京化工大學：用于無膜電解水中氣體分離的氣泡定向輸運滑移微錐陣列電極

現有工業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，對于很多強腐蝕電解質（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，必須續接深冷液化氫氧分離，否則只能被動增大電極間距，但這會帶來能耗劇增。因此，如何設計新型電極，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，對推動無膜電解技術的實際應用至關重要。

近日，北京化工大學孫曉明教授、羅亮副教授和清華大學的段昊泓副教授帶領研究團隊開發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。基于電極結構設計，重力輔助拉普拉斯力，引導氣泡沿微錐電極表面斜向上定向滾動輸運，最終使氣泡貼電極表面快速向上移動，而非進入電解液，從而實現自發高效的陰陽極氣體產物分離。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打印技術結合金屬電鍍工藝，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，確保高導電性與催化活性。這種分層結構受到仙人掌刺和松針的啟發，通過表面工程調控潤濕性，為氣泡定向傳輸奠定了基礎（圖2）。

圖3. 電極浸潤性對氣泡輸運行為的影響，比較了傳統超疏氣電極、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°）因高黏附力導致氣泡滯留；超疏氣表面（CA=165°）氣泡隨機脫離；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"模式單向傳輸。通過調控電鍍條件優化表面粗糙度，實現了氣泡高效定向收集，避免電極活性位點阻塞（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直徑、滾動速度和脫離時間的影響。

微錐傾斜角度（α）顯著影響氣泡啟動直徑和運動速度：α=50°時，氣泡直徑最小（16±4 μm）、滾動速度最快（25±3 cm/s），且脫離周期最短（18 ms）。力學分析表明，傾斜角可以通過調節浮力分量與拉普拉斯壓力協同驅動氣泡定向運動，實現電極結構優化（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系以及氣體純度測試結果。

最終，微錐的傾斜角度在 50°，陰陽極相距1.5mm時，可優化氣泡的滾動速度和脫附效率，減少氣泡在電極表面的停留時間，從而實現高電流密度下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化設計提供了新的策略（圖5）。