哈爾濱工業(yè)大學(xué)：具有高氣液分離效率的仿生Janus微流體制氫仿生功能器件

電解水在可持續(xù)能源發(fā)展和環(huán)境污染方面具有高效能源轉(zhuǎn)換的優(yōu)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(huán)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(dǎo)致氣泡屏蔽效應(yīng)，阻礙離子的傳質(zhì)，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(dǎo)致電催化活性和穩(wěn)定性變差。因此，如何在微重力等惡劣環(huán)境下有效地控制電極表面氣泡的生成，從而加快電解環(huán)境的離子傳輸并提升電解水制氫效率，成為了在惡劣環(huán)境下進行電解水制氫發(fā)展的關(guān)鍵問題。

為了克服這些挑戰(zhàn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(yīng)用在微通道電解制氫領(lǐng)域以提高催化效率。相關(guān)成果以“Bionic Janus microfluidic hydrogen production with high gas-liquidseparation efficiency"為題發(fā)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(yè)大學(xué)王兆龍教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)帥永教授。哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(fā)，通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL） 3D打印技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10 μm），設(shè)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(guī)則排列的微孔，這些微孔的外表面經(jīng)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(xiàn)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(nèi)最佳的氣體通量和流體注射速率。

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(jīng)過任何處理后，微通道內(nèi)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(cè)壁均經(jīng)過超親氣處理后，Janus仿生微通道能夠在40 ms內(nèi)實現(xiàn)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(chǎn)生不同影響，并針對矩形、倒三角形界面微通道進行力學(xué)理論分析。

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(yīng)用到電解水制氫中（圖3），這種類型的微通道可以高速捕獲和單向操縱水電解反應(yīng)過程中電極表面產(chǎn)生的氫氣（H2）氣泡，并具有長期穩(wěn)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，為微重力等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用提供實驗支撐。

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(fù)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(jīng)過兩小時的長時間電解水制氫，多微通道制氫反應(yīng)發(fā)生器表現(xiàn)出優(yōu)異的電解穩(wěn)定性。

最后，作者還展示了一種具有特殊仿生Janus微通道的3D仿生樹用于電解水制氫（圖5），它實現(xiàn)了三維立體結(jié)構(gòu)中的氣液高效率分離，并表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定制氫性能，且與浮力無關(guān)。

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(huán)境的離子傳輸，提升電解水制氫效率方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能，且具有長期穩(wěn)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，適用于微重力等惡劣環(huán)境，為在太空中高效、可靠地生產(chǎn)和利用氫氣提供一種新思路。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金支持。