摘要：现有工业化的水电解制氢过程中，均有隔膜的存在，隔膜的高电阻和破损往往带来很多问题。与此同时，对于很多强腐蚀电解质（如NH4F）中的电解过程，需要采用无膜的形式。无膜水电解的最大问题在于氢氧混合，必须续接深冷液化氢氧分离，否则只能被动增大电极间距，但这会带来能耗

现有工业化的水电解制氢过程中，均有隔膜的存在，隔膜的高电阻和破损往往带来很多问题。与此同时，对于很多强腐蚀电解质（如NH4F）中的电解过程，需要采用无膜的形式。无膜水电解的最大问题在于氢氧混合，必须续接深冷液化氢氧分离，否则只能被动增大电极间距，但这会带来能耗剧增。因此，如何设计新型电极，能满足在短电极间距无膜电解中仍能高效分离气体，避免气体混合，对推动无膜电解技术的实际应用至关重要。

近日，北京化工大学孙晓明教授、罗亮副教授和清华大学的段昊泓副教授带领研究团队开发了一种独特的倾斜微锥阵列（TMCA）电极，该电极模板是利用摩方精密nanoArch® P140 （精度：10 μm）3D打印设备加工而成，表面气泡接触角约130°，具有“滑移疏气”特性。基于电极结构设计，重力辅助拉普拉斯力，引导气泡沿微锥电极表面斜向上定向滚动输运，最终使气泡贴电极表面快速向上移动，而非进入电解液，从而实现自发高效的阴阳极气体产物分离。该成果以“Unidirectional Bubble Transportation on Slippery Micro-Cone Array Electrodes Enables Spontaneous 99.99% Gas Separation in Membrane-less Water Electrolysis”为题，发表在英国皇家化学会期刊《EES Catalysis》上。

图2. 倾斜微锥阵列（TMCA）电极的制造过程，包括3D打印、电镀铜和铂层的步骤，以及SEM图像和元素分布。

通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术结合金属电镀工艺，成功制备了倾斜微锥阵列（TMCA）电极。SEM图像显示锥体倾斜角度可控（10°–60°），Cu和Pt元素均匀分布，确保高导电性与催化活性。这种分层结构受到仙人掌刺和松针的启发，通过表面工程调控润湿性，为气泡定向传输奠定了基础（图2）。

图3. 电极浸润性对气泡输运行为的影响，比较了传统超疏气电极、超亲气电极和滑移疏气电极的气泡传输方式。

亲气表面（CA=32°）因高黏附力导致气泡滞留；超疏气表面（CA=165°）气泡随机脱离；而“滑移疏气”表面（CA=130°）兼具适度垂直黏附力与低横向黏附力，使气泡以“滚动”模式单向传输。通过调控电镀条件优化表面粗糙度，实现了气泡高效定向收集，避免电极活性位点阻塞（图3）。

图4. 不同倾斜角下的TMCA电极气泡行为，描述了TMCA电极上的气泡受力情况，分析了微锥倾斜角度对气泡启动直径、滚动速度和脱离时间的影响。

微锥倾斜角度（α）显著影响气泡启动直径和运动速度：α=50°时，气泡直径最小（16±4 μm）、滚动速度最快（25±3 cm/s），且脱离周期最短（18 ms）。力学分析表明，倾斜角可以通过调节浮力分量与拉普拉斯压力协同驱动气泡定向运动，实现电极结构优化（图4）。

图5. TMCA电极在电解水中的电催化性能，包括极化曲线、电流密度与电极间距的关系以及气体纯度测试结果。

最终，微锥的倾斜角度在 50°，阴阳极相距1.5mm时，可最大程度优化气泡的滚动速度和脱附效率，减少气泡在电极表面的停留时间，从而实现高电流密度下99.99%气体分离纯度。此外，该方法无需依赖昂贵的膜材料或额外的涂层引入，为苛刻条件下无膜电解水电极的优化设计提供了新的策略（图5）。

来源：科技站长