技術(shù)文章
Technical articles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(huì)受到由浮力引起的電極氣泡脫落的強(qiáng)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(diǎn),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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究的主要貢獻(xiàn)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(yùn)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(jì)制造了一種具有主動(dòng)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(shí)現(xiàn)超快速氣液分離。并通過高速攝像機(jī)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(jìn),不受微通道氣體出口的影響。當(dāng)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(shí)現(xiàn)6 μL氣柱的單向輸運(yùn)。除此之外,不同截面形狀的微通道對于氣泡單向輸運(yùn)都會(huì)產(chǎn)生不同影響,并針對矩形、倒三角形界面微通道進(jìn)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(tuán)隊(duì)將具有主動(dòng)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(shí)驗(yàn)支撐。
此外,研究團(tuán)隊(duì)對模擬樹葉形狀的仿生多微通道進(jìn)行電解水制氫實(shí)驗(yàn)(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(yùn)及收集的影響。經(jīng)過兩小時(shí)的長時(shí)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(shí)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。