武汉理工大学寇宗魁,最新AM!3D打印仿生析气电极支架实现安培级碱性水电解!罗梦琪/桑伟一作

碱性水电解（AWE）技术有效缓解了聚合物电解质膜水电解（PEMWE）在绿色制氢过程中成本高昂与技术不成熟的问题，然而其在安培级电流密度（ACDs）下的工业化应用仍面临挑战。传统无序析气电极（GEE）支架具有缓慢的气泡脱离动力学和机械不稳定性，阻碍了在高ACDs下的运行，而用于加速气泡脱离的合理支架设计仍鲜有探索。

2026年05月08日，武汉理工大学寇宗魁团队在Advanced Materials期刊发表题为“3D-Printing Starfish-Inspired Gas-Evolving Electrode Scaffolds Enable Ampere-Level Alkaline Water Electrolysis”的研究论文，团队成员罗梦琪、桑伟为论文共同第一作者，寇宗魁为论文通讯作者。

第一作者：罗梦琪、桑伟

通讯作者：寇宗魁

通讯单位：武汉理工大学

论文DOI：10.1002/adma.73344

受海星支架的启发，该研究通过3D打印设计并制造了一种具有锥形筛板孔支架的仿生GEE。结合COMSOL模拟和原位气泡行为分析表明，如同海星的呼吸和物质交换，筛板优化了气泡受力平衡以加速脱离，而锥形结构则将气泡快速导入电解液中。这种海星仿生GEE设计实现了比普通平板圆孔支架低21倍的传质过电位与电流密度斜率。因此，在1000 mA cm⁻²的ACD下，该研究实现了159 mV和430 mV的HER和OER过电位，这是所有已报道的先进GEE中的最低记录。此外，该研究的海星仿生GEE在超过150小时内以≈100%的法拉第效率维持ACDs运行，展示了其在实际AWE应用中的潜力。

氢能被广泛认为是未来零碳能源系统的核心支柱，其中水电解是大规模绿色制氢的关键途径。碱性水电解（AWE）在使用贵金属材料和加工方面比基于聚合物电解质膜（PEMWE）的技术更具经济性和成熟度优势。然而，AWE的性能瓶颈主要受气泡脱离动力学控制，尤其是在安培级电流密度（ACDs）下。在ACDs下，剧烈的氢气和氧气演化会产生密集的气泡，这些气泡的反复形成、生长、合并和脱离导致大面积的气泡覆盖。这在很大程度上阻碍了液体补充，严重增加了局部欧姆电阻，减少了有效反应面积，并引发强烈的浓差极化，迫使电极过早进入传质受限区。此外，气泡的周期性粘附与脱离会对电极支架产生机械应力，加剧材料疲劳。这种效应在传统的无序析气电极（GEE）支架（如镍基泡沫和工业Raney-Ni电极）中尤其有害，因为高通量气体会导致持续气泡滞留、局部应力集中以及随之而来的结构退化。这些耦合的界面、传输和机械效应共同限制了AWE像PEMWE那样在ACDs下稳定运行，使得先进的电极结构设计对于有效的气泡脱离至关重要。

为应对这些挑战，现有研究提出了各种结构优化策略。界面润湿性控制在早期已被证明能有效通过表面能和界面润湿性的调控促进气泡脱离。例如，一些研究通过(i) 构筑超亲水/疏水界面、(ii) 制备纳米针阵列以及(iii) 开发具有高曲率超薄纳米薄膜结构等，最大限度地减少了气泡粘附并增加了活性位点的暴露。此外，孔结构调控提供了加速气泡脱离的另一种途径。诸如设计梯度/分级孔（微孔到介孔）、径向开孔、垂直通孔和单向气泡排放通道等策略，从而增强了气泡脱离和局部传质。同时，三维多孔金属框架（如泡沫镍、可渗透金属网）、分级电极框架和集成导电网络被用于增强机械稳定性，确保耐久运行。尽管上述策略已成功验证，但大多数电极仅能在约1.36-2.0 V的系统电压下，结合结构优化的系统，实现低基准电流密度（低于500 mA cm⁻²）下的全解水。主要原因是单一尺度的优化策略仅增强了本征活性，而没有实质性地改善气泡脱离动力学。相比之下，自然界为GEE设计提供了一个引人注目的范例，生物体内的多尺度结构可以无缝集成能量与物质，提供了一种极具启发性的仿生策略。在一项典型研究中，Zeng等人研究了一种基于植物毛细管结构排列的电极模型，实现了增强的气泡脱离和传质性能，在全解水过程中，在10 mA cm⁻²电流密度下气泡脱离速率达到9.667×10⁻⁴ mL cm⁻² s⁻¹，但仍未能达到ACDs。基于这些植物学概念，研究人员转向动物的呼吸结构，这些结构必须主动满足持续的代谢氧气需求，这也是许多先进GEE系统面临的核心挑战。正如研究人员所证明的那样，海星表皮鳃上的锥形突起显著增加了呼吸表面积，提高了氧气溶解效率，而其筛板结构可以在生物体循环与外部环境之间创建并调节精确的物质传输路径。然而，将这种分级、多功能生物设计转化为可制造的电极结构，仍然是一项艰巨的材料加工挑战。

在此，受“最大化有效接触面积”和“构建高效可控气泡通道”这些表皮鳃和筛板核心功能的启发，通过将仿生原理与数字光处理（DLP）3D打印技术相结合，设计并制造了三维（3D）网络（锥形筛板孔支架，简称CSPH-S）。该设计以海星的结构为灵感，主要贡献在于“通道加速-锥形导流”策略的工程化实现。在功能上，筛板通道最大限度地减小了流动阻力以实现快速气泡脱离，与锥形阵列协同作用，引导气泡脱离并通过高曲率放大催化面积。因此，这种仿生-工程集成结构实现了更高的气泡脱离效率（BDE）和更低的传质阻力，从而确保了在ACDs下卓越的活性和稳健的稳定性。在实验体系中，选择了文献中报道的双功能催化剂（NiCoP）作为活性催化剂并进行了相应改性。具体而言，研究人员将其原位生长在支架上，并研究了其在实际水电解条件下的性能。实验结果表明，这种多尺度仿生GEE实现了比传统平板圆孔支架低21倍的传质过电位与电流密度斜率，并且该研究已在AWE中证明了其优异的GEE性能。在1000 mA cm⁻²的ACD下，析氢反应（HER）和析氧反应（OER）过电位分别仅为159 mV和430 mV。值得注意的是，这种双功能电极的优异稳定性和效率体现在它能在1000 mA cm⁻²下维持全解水超过150小时，同时保持接近100%的法拉第效率。

图1 | 受海星表皮鳃和筛板启发的仿生3D打印支架用于高效水电解。(a) 示意图说明电极的设计原理，模仿海星解剖结构的多孔和分级结构。(b) 利用3D打印技术制造具有不同形貌的支架。CSPH-S (c)、CRH-S (d)、CNH-S (e)、FSPH-S (f)、FRH-S (g) 的SEM图像。

图2 | 不同电极构型下电解槽内气液两相流动行为的COMSOL模拟分析。(a) 电解槽内气泡的动态分布，红色区域代表电解质相，蓝色标记表示气泡相。(b) t=1 s时电解槽内的流动扰动速度场。颜色梯度表示速度差异，越红表示流速越快，局部流动扰动越强。(c)和(d) 筛板内气泡的受力分析图。(e) 电解质中气泡逃逸和电解质流动的示意图。

图3 | 各支架的原位气泡脱离行为分析。(a) 恒定的气体注入过程中气泡演变的实时成像。(b) 气泡产生和脱离持续时间的定量比较。

图4 | 在1 M KOH电解液中评估所设计的GEE的HER性能。(a) HER极化曲线，以及(b) 相应的过电位柱状图。(c) CSPH与其他近期报道的、在ACDs下高性能镍基HER电极在1000 mA cm⁻²下的过电位比较。(d) 在10⁻²至10⁵ Hz频率范围内测量的EIS谱图。(e) ECSA归一化HER极化曲线。(f) 传质过电位的比较。(g) CSPH在72小时和144小时长循环后，NiCoP在电解液中的溶解情况。(h) CSPH的长期稳定性测试。

图5 | 在1 M KOH电解液中评估所设计的GEE的OER性能以及实际水电解应用。(a) OER极化曲线，(b) 相应的过电位柱状图。(c) EIS奈奎斯特图。(d) CSPH和FRH在不同电位下的波特相角图。(e) ECSA归一化的OER极化曲线。(f) CSPH在10000次CV循环前后的OER极化曲线，插图为所需过电位的变化。(g) 使用CSPH作为阴极和阳极组装的实际水电解槽的极化曲线。(h) 在1000 mA cm⁻²下CSPH||CSPH电解槽中H₂和O₂的生成量。(i) 相应的法拉第效率。(j) CSPH||CSPH电解槽在1000 mA cm⁻²下的计时电位曲线。(k) 太阳能驱动的水分解装置数码照片，以及气体生成量和H₂:O₂比例的相应总结。

总之，该研究通过3D打印制造了一种多尺度海星仿生GEE，以减轻安培级水电解中气泡脱离引起的传输限制。该GEE表现出优异的双功能活性，在1000 mA cm⁻²的ACDs下，HER和OER所需过电位分别仅为159 mV和430 mV。在1000 mA cm⁻²下稳定的全解水可持续超过150小时，法拉第效率接近100%。性能提升源于海星仿生的锥形筛板结构，该结构建立了协同的“通道加速-锥形导流”气泡调控机制。筛孔内的定向加速启动了有序的气泡传输，而锥形突起的曲率梯度促进了气泡的快速脱离。同时，3D结构诱导了强烈扰动的电解质流场，有效抑制了气泡积累并加速了物质传输。因此，与传统的平板圆孔支架相比，CSPH在电流密度增加时表现出近乎不变的传质过电位，将传质过电位与电流密度的斜率降低了21倍，并将气泡脱离效率提高了2.75倍。该研究表明，增材制造实现的仿生结构设计为开发用于工业水分解应用的高效析气电极提供了一条可规模化且有效的途径。