哈尔滨工业大学《CEJ》：具有高气液分离效率的仿生Janus微流体制氢仿生功能器件

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2024/10/09 10:19

电解水在可持续能源发展和环境污染方面具有零排放和高效能源转换的优势。然而，在电解水的过程中，通常会受到由浮力引起的电极气泡脱落的强烈影响，从而降低了电解池在太空等恶劣环境中的性能。电解水过程中生成的H2气泡黏附在电极表面，导致气泡屏蔽效应，阻碍离子的传质，降低电极催化层的有效活性位点，增加欧姆过电位和电解析氢的能量成本，最终导致电催化活性和稳定性变差。因此，如何在微重力等极端环境下有效地控制电极表面气泡的生成，从而加快电解环境的离子传输并提升电解水制氢效率，成为了在极端环境下进行电解水制氢发展的关键问题。

为了克服这些挑战，哈尔滨工业大学帅永教授团队提出了一种具有高效气液分离效率的仿生Janus微通道，并将其应用在微通道电解制氢领域以提高催化效率。相关成果以“Bionic Janus microfluidic hydrogen production with high gas-liquidseparation efficiency”为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。这项研究的主要贡献者包括王小龙、熊劲松、谢明铸等人。通讯作者为哈尔滨工业大学王兆龙教授和哈尔滨工业大学帅永教授。哈尔滨工业大学为该论文的第一通讯单位。

首先，受到大自然中树木的通气组织和水分运输功能的启发，通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL） 3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm），设计制造了一种具有主动式气液分离的仿生Janus微通道（图1）。微通道上方有大量规则排列的微孔，这些微孔的外表面经过超亲气不对称界面处理后，形成具有Janus特性的仿生功能膜，在拉普拉斯压力差的作用下实现超快速气液分离。并通过高速摄像机和微量泵探究微通道内最佳的气体通量和流体注射速率。

图1. 具有主动式气液分离的仿生Janus微通道

然后，作者通过不同微通道微孔超亲气处理深度，探究气液分离效率。通过图2可以观察到，不经过任何处理后，微通道内的气柱仍然沿微通道方向行进，不受微通道气体出口的影响。当微孔顶端及侧壁均经过超亲气处理后，Janus仿生微通道能够在40 ms内实现6 μL气柱的单向输运。除此之外，不同截面形状的微通道对于气泡单向输运都会产生不同影响，并针对矩形、倒三角形界面微通道进行力学理论分析。

图2. 超亲气处理深度与微通道截面形状对气液分离效率的影响

随后，通过对最佳微通道流体注射速率、气体通量及截面形状的探究后，研究团队将具有主动式气液分离的仿生Janus微通道应用到电解水制氢中（图3），这种独特类型的微通道可以高速捕获和单向操纵水电解反应过程中电极表面产生的氢气（H2）气泡，并具有长期稳定性。通过将微通道置于不同角度，探究其在微通道制氢中的气液分离能力，为微重力等极端环境中的应用提供实验支撑。

图3. 不同角度仿生 Janus 单微通道电解制氢实验

此外，研究团队对模拟树叶形状的仿生多微通道进行电解水制氢实验（图4），并探究复杂图案制氢微通道中电极表面与Janus膜间距对气体单向输运及收集的影响。经过两小时的长时间电解水制氢，多微通道制氢反应发生器表现出优异的电解稳定性。

图4. 复杂图案仿生 Janus 多微通道电解制氢实验

最后，作者还展示了一种独特的具有特殊仿生Janus微通道的3D仿生树用于电解水制氢（图5），它实现了三维立体结构中的气液高效率分离，并表现出优异的稳定制氢性能，且与浮力无关。

图5. 3D仿生树用于电解水制氢实验

本研究提出的高效电解水制氢仿生Janus微通道，在操控电极表面生成的气泡从而加快电解环境的离子传输，提升电解水制氢效率方面表现出优异性能，且具有长期稳定性。除此之外，这种通过湿润性不对称界面改性的气体操控方法，适用于微重力等极端环境，为在太空中高效、可靠地生产和利用氢气提供一种新思路。

本研究得到了国家自然科学基金支持。

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