武汉理工大学Advanced Materials:仿海星筛板-锥形多级结构3D打印电极:气泡动力学革命驱动安培级碱性水电解

一、研究背景

氢能被广泛视为未来零碳能源体系的核心支柱，而水电解是大规模绿色制氢的关键路线。在各类水电解技术中，碱性水电解（AWE）相较于质子交换膜水电解（PEMWE），具有成本更低、技术更成熟、无需贵金属催化剂等显著优势，因而在工业制氢领域备受青睐。

然而，AWE的工业化应用长期面临一个核心瓶颈——气泡动力学问题，尤其是在安培级电流密度（ACDs）条件下更为突出。在高电流密度下，阴极产氢和阳极产氧过程会生成大量气泡，这些气泡的反复形核、生长、聚并和脱离，导致电极表面大面积被气泡覆盖，严重阻碍电解液补充，急剧增大局部欧姆电阻，减少有效反应面积，并引发强烈的浓差极化，迫使电极过早进入传质受限 regime。更为棘手的是，气泡的周期性粘附与脱离对电极骨架产生反复机械应力，加剧材料疲劳，尤其是传统Ni基泡沫和工业Raney-Ni电极等无序气体析出电极（GEE）骨架，在高气体通量下极易出现气泡持续滞留、局部应力集中，最终导致结构退化。这些界面、传质与力学的耦合效应，共同制约了AWE在安培级电流密度下的稳定运行。

为解决上述挑战，研究者们已提出多种结构优化策略，包括界面润湿性调控（如超亲水/疏水界面、纳米针阵列等）和孔结构调控（如梯度孔、径向开放孔、垂直通孔等）。但这些策略大多仅能在较低电流密度（<500 mA cm⁻²）下实现整体水分解，根本原因在于单一尺度的优化只能增强本征活性，而无法从根本上改善气泡脱离动力学。

受此启发，研究者将目光转向自然界。海星的皮肤鳃具有密集的锥形突起，可显著增大呼吸表面积；其水管系统入口处的筛板结构则能精确调控水流与物质交换。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"的生物设计，为GEE的理性结构设计提供了极具吸引力的仿生灵感。然而，如何将这种层级化、多功能的生物结构转化为可制造的电极架构，仍是一个巨大的材料加工挑战。

二、研究内容与催化活性（核心数据）

本研究受海星皮肤鳃和筛板结构的启发，结合数字光处理（DLP）3D打印技术，设计并制备了一种仿生锥形筛板孔骨架（CSPH-S）。研究的核心在于构建"通道加速—锥形导引"的协同气泡调控策略：筛板孔道最小化流阻以加速气泡脱离，锥形阵列则引导气泡快速迁移并通过高曲率放大催化面积。

实验选用文献报道的双功能催化剂NiCoP，通过水热-磷化两步法原位生长在五种不同骨架表面（CSPH、CRH、FSPH、CNH、FRH），确保催化剂组成、微观结构和本征活性完全一致，从而可以纯粹比较结构设计对电化学性能的影响。

关键性能数据：

（1）HER性能： 在1 M KOH电解液中，CSPH电极在1000 mA cm⁻²下的过电位仅为159 mV，远优于CRH（281 mV）、FSPH（567 mV）、CNH（664 mV）和FRH（704 mV）。在100、500、1000 mA cm⁻²下，过电位分别为94、143、159 mV。更重要的是，CSPH的传质过电位随电流密度变化的斜率仅为0.02 mV mA⁻¹ cm²，比CRH（0.07）低3.5倍、比FSPH（0.27）低13.5倍、比CNH（0.40）低20倍、比FRH（0.44）低21倍，即传质过电位积累被降低了一个数量级。

（2）OER性能： 在相同条件下，CSPH电极在1000 mA cm⁻²下的过电位为430 mV，显著优于CRH（877 mV）、FSPH（948 mV）、CNH（970 mV）和FRH（997 mV）。在100、500、1000 mA cm⁻²下，过电位分别为286、390、430 mV。经过10000次CV循环后，极化曲线几乎无变化，安培级电流密度下的过电位保持不变，证明锥形筛板复合结构有效防止了催化剂层剥落。

（3）全解水性能： CSPH||CSPH双电极电解槽在1000 mA cm⁻²下仅需1.82 V的槽压，H₂和O₂的体积比接近2:1，法拉第效率接近100%。该系统在1000 mA cm⁻²下稳定运行超过150小时，性能衰减仅约100%法拉第效率维持。经500小时长时测试，HER性能衰减仅6.82%。

（4）气泡动力学： 高速相机原位观测表明，CSPH完成一次气泡脱离仅需33.3 ms，而CRH、FSPH、FRH分别需要83.3、91.7、91.7 ms。CSPH的气泡脱离效率（BDE）比平面圆孔结构提高了2.75倍。COMSOL多相流模拟进一步揭示，CSPH周围形成了高度有序的向上速度矢量场，构建了高效的"气体扫掠—排出"流道。

三、工作创新点

第一，提出"通道加速—锥形导引"仿生协同策略。 不同于以往单一结构优化，本研究将海星筛板的多向曲率约束（锁定三相接触线、产生强钉扎效应）与锥形阵列的曲率梯度导引有机结合，实现了从界面能量积累到瞬时弹跳脱离、再到快速迁移防再吸附的全生命周期气泡调控。

第二，DLP 3D打印实现复杂仿生结构的精准制造。 层层固化精度达5 μm，完整保留了锥形特征、筛板孔道和圆孔的周期性分布，孔尺寸、形状和边缘轮廓几乎无变形，展示了增材制造在精密仿生电极领域的巨大潜力。

第三，传质过电位斜率降低21倍，刷新纪录。 这一指标直接反映了气泡脱离动力学的飞跃式提升，使电极在安培级条件下几乎不受传质限制，是目前报道中最优的传质性能之一。

第四，实测验证了工业可行性。 150小时稳定全解水、太阳能驱动水电解演示，证明了该设计从实验室走向实际应用的潜力。

原文信息

M.Luo, W.Sang, Y.Tian, et al. 3D-Printing Starfish-Inspired Gas-Evolving Electrode Scaffolds Enable Ampere-Level Alkaline Water Electrolysis. Advanced Materials (2026): e73344. https://doi.org/10.1002/adma.73344

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