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一、背景与问题

绿氢被广泛认为是未来零碳能源体系的核心支柱，碱性水电解（AWE）因无需贵金属催化剂且工艺成熟，在大规模制氢路线中具有显著经济优势。然而，当电流密度提升至安培级（ACDs，≥500 mA cm⁻²）时，阴、阳极剧烈产生的氢气与氧气气泡大量积聚，覆盖催化活性位点，严重阻碍电解质补充，诱发局部欧姆升温与浓差极化，使电极提前陷入传质限制区，成为制约AWE工业化放大的根本性瓶颈。

现有改进策略涵盖界面润湿性调控（超亲/超疏水界面、纳米针阵列）和孔结构设计（梯度孔、径向开孔、单向排气通道）等，但大多仅在低于500 mA cm⁻²的电流密度下有效，单尺度优化难以从根本上突破气泡脱附动力学壁垒。

自然界的生物结构为解答这一难题提供了新思路。海星皮肤鳃上密集的锥形突起大幅扩展了呼吸表面积，而水管系统入口的筛板微孔能精准调控体内外水与物质的交换通量。这种多尺度"最大化有效接触面积"与"构建高效可控气泡通道"的协同结构，恰好与高性能气体析出电极所需的功能高度契合——本研究由此提出仿生锥形筛孔（CSPH）电极设计方案。

二、论文概要

本研究以海星皮肤鳃（锥形突起）与筛板（微孔通道）为仿生原型，利用数字光处理（DLP）3D打印技术，将含镍盐的光敏树脂逐层固化，经阶梯式热处理与Ar/H₂还原，制备出具有精确几何保真度的镍基锥形筛孔支架（CSPH-S）。作为对照，同步制备了锥形圆孔（CRH-S）、锥形无孔（CNH-S）、平面筛孔（FSPH-S）及平面圆孔（FRH-S）共五种支架；随后在所有支架表面原位生长双功能催化剂NiCoP，确保化学成分一致，以纯净地评估结构效应。全工作流程依次包括：COMSOL两相流数值模拟揭示气泡动力学差异→原位高速摄影定量表征气泡脱附效率→系统电化学测试（HER/OER/全电解槽）→太阳能驱动实际场景演示，构成从机制到应用的完整研究闭环。

三、图文解读

图1：仿生支架设计原理与3D打印制备

图1系统呈现了仿海星电极的设计逻辑与制备路线：图1a以海星皮肤鳃锥形突起扩大呼吸面积、筛板微孔调控物质传输的生物功能为原型，映射为电极支架中"锥形阵列增大活性位点密度"与"筛孔通道加速气泡定向排出"两大仿生策略，从微观界面到宏观三维导电网络实现多尺度协同设计；图1b展示了DLP 3D打印技术将镍盐光敏树脂精确成型为五种不同几何构型支架（CSPH-S、CRH-S、CNH-S、FSPH-S、FRH-S）的制备流程；图1c—g的SEM图像进一步证实，经退火还原后，各支架的锥形特征、筛孔/圆孔形貌及边缘轮廓均高度均匀、周期性规则分布，尺寸形变极小，充分体现了DLP技术在复杂仿生微结构制造方面的卓越精度。

图2：COMSOL两相流仿真与气泡力学分析

图2通过COMSOL两相流水平集模型，从宏观分布与微观力学两个维度揭示了CSPH-S的气泡脱附优势：图2a气相分布云图（蓝色为气泡相，红色为电解质相）显示，经过1 s持续产气，CSPH-S保留的气泡最稀疏且分布均匀，而CRH-S、FSPH-S等在通道顶部形成明显气泡积聚带；图2b流场扰动速度场表明，CSPH-S锥形阵列周围形成稳定定向向上的高扰动速度矢量通道，持续驱动气泡"扫除—排出"，而对照结构仅产生局部或不连续的扰动；图2c—d从力学层面对比了CSPH-S筛孔通道内气泡所受的浮力（F_B）、剪切力（F_S）、拉普拉斯压差驱动力（F_P）、钉扎力（F_pinning）和粘附力（F_adh）的分布，阐明锥形曲率约束三相接触线，使界面能在临界前角时骤然转化为动能，形成"弹射式"快速脱附，而FRH等平面结构缺乏曲率驱动力，气泡只能缓慢滑移；图2e示意图则从整体外部流场角度说明了气泡离开筛孔后沿锥形侧面快速迁移至顶端、防止二次聚并的协同传输机制。

图3：原位高速摄影气泡脱附行为定量分析

图3通过高速摄影对四种支架进行原位实验，以时间序列图像（图3a）和定量脱附时间对比（图3b）共同证实了CSPH-S在全气泡生命周期中的动力学优势：CSPH-S在仅33.3 ms内完成首次完整气泡脱附，而CRH-S、FSPH-S和FRH-S分别需83.3、91.7和91.7 ms；在第二气泡脱附周期（t₂ = 33.3 ms时），CSPH-S已完成脱附，其余结构仍处于缓慢生长阶段，FRH-S所需时间更长达566 ms；定量BDE对比显示，CSPH-S气泡脱附效率为平面圆孔结构（FRH-S）的2.75倍，清晰验证了筛孔通道"钉扎—解钉"界面能积累机制与锥形导流协同作用赋予CSPH-S从气泡成核到完全离脱全程的卓越动力学优势。

图4：HER电化学性能综合评价

图4在1 M KOH碱性电解质中对五种NiCoP@支架电极进行系统HER性能表征，多维度印证了CSPH的结构优越性：极化曲线（图4a）与过电位柱状图（图4b）显示，CSPH在100/500/1000 mA cm⁻²下过电位分别为94/143/159 mV，远优于CRH（281 mV）、FSPH（567 mV）、CNH（664 mV）和FRH（704 mV）；文献横向对比（图4c）表明，1000 mA cm⁻²下CSPH的HER性能处于目前已报道镍基电极最优水平；EIS谱（图4d）显示CSPH具有最低的电荷转移电阻（R_ct），ECSA归一化曲线（图4e）进一步确认结构优势源于界面能调控与多尺度传质的整体协同而非单纯面积增益；最关键的传质过电位斜率（图4f）中，CSPH的η_trans斜率仅0.02 mV mA⁻¹·cm²，分别是CRH、FSPH、CNH、FRH的1/2.5、1/13.5、1/20、1/22，降幅达一个数量级；长期稳定性测试（图4g、h）表明，经500 h测试后CSPH性能衰减仅6.82%，Ni/Co/P溶出量极低，体现了结构对高通量气泡冲蚀的强耐受性。

图5：OER、全电解及太阳能制氢应用验证

图5将CSPH的结构优势延伸至OER及全电解槽场景，完整验证了其双功能与实际应用潜力：OER极化曲线与过电位直方图（图5a、b）显示，CSPH在100/500/1000 mA cm⁻²下过电位为286/390/430 mV，较CRH（877 mV）、FSPH（948 mV）、CNH（970 mV）、FRH（997 mV）具有压倒性优势；EIS（图5c）和Bode图（图5d）再次确认最低R_ct，ECSA归一化OER曲线（图5e）印证最优内禀性能；历经10000圈CV循环后极化曲线几乎不偏移（图5f），表明锥形筛孔复合结构通过高效气泡脱附有效防止催化层剥离；在CSPH||CSPH全电解槽构型（图5g）中，1000 mA cm⁻²仅需槽压1.82 V；气体收集实验（图5h、i）验证H₂:O₂体积比接近2:1，法拉第效率≈100%；150 h全电解稳定性测试（图5j）证明高电流密度下结构完整性无衰减；太阳能供电示意图与视频（图5k）完成绿色能源驱动制氢的实际场景闭环演示。

五种电极关键性能对比（1 M KOH，1000 mA cm⁻²）

表1：五种电极在1 M KOH中1000 mA cm⁻²条件下的关键电化学性能对比（催化剂均为NiCoP）

四、总结与展望

本研究以海星皮肤鳃和筛板结构为仿生原型，借助DLP 3D打印技术构建了兼具锥形导流与筛孔加速功能的多尺度CSPH气体析出电极，在安培级电流密度下实现了气泡脱附动力学与传质性能的突破性提升——HER/OER过电位均刷新同类电极文献最优，传质过电位斜率较传统平面圆孔电极降低21倍，500 h耐久性测试衰减仅6.82%，并成功耦合太阳能实现绿色制氢演示；未来在面向工业规模制氢的进一步发展中，如何将精密3D打印工艺低成本化、提升支架-催化剂界面结合强度、将该仿生理念推广至膜电极组件（MEA）体系，以及实现更大面积均一化制备，将是推动这一工作走向工业落地的关键挑战与方向。