2024年10月31日下午，周亚亚博士在躬行C楼102会议室作了题名为《基于金属微结构阵列电极的电催化水分解性能研究》的学术报告，部分感兴趣的师生参加了此次报告会。

图1 周亚亚博士学术报告

随着全球对清洁能源需求的不断增长以及对温室气体效应的日益关注，开发高效、经济的可再生能源系统已成为当务之急。氢能，以其高能量密度和零碳排放特性，被广泛视为传统化石燃料的重要替代品。然而，电化学水分解技术，尤其是析氧反应（OER）所面临的挑战制约了其整体效率。OER效率的改善可以通过提升催化剂的本征催化活性；也可以通过提升OER过程中的传质。周亚亚博士的报告主要聚焦于改善电极表面的传质性能来提升电催化反应效率。研究团队通过受深海海绵和植物叶片结构的启发，成功开发出新型多尺度结构催化剂NiFe-P_Zn@PNTA和MoS₂/FeCoNiS-NT@PNF电极。这一创新不仅显著提升了电化学水分解的效率，还突出了微纳米压印技术在传质方面的重要作用。

仿生学设计与微纳米压印技术的结合

NiFe-P_Zn@PNTA电极的设计灵感源自深海海绵的管状结构(图2)，其高长宽比和多孔特性有效促进了气泡的去除。在电解过程中，气泡在浮力的作用下迅速上升，并通过相互融合增大体积，增强浮力，从而实现气泡的高效释放。这种设计理念不仅减少了气泡与电极表面的接触面，还优化了电解液的流动状态，提升了整体反应速率。此外，PNTA表面装饰有NiFe-Zn²⁺孔纳米片（NiFe-P_Zn），模拟海绵的表皮，进一步增加了催化活性位点的数量。这些纳米片丰富的孔隙结构能够暴露更多的边界原子，提高了电化学活性。通过微纳米压印技术，研究人员实现了电极表面结构的精确控制，这使得催化剂在氢气释放和电子转移中的效率有了显著提高。实验结果表明，NiFe-P_Zn@PNTA电极在OER中展现出卓越的性能。在电流密度为10 mA cm⁻²时，其过电位仅为172 mV，Tafel斜率为50 mV dec⁻¹，优于大多数先进过渡金属基催化剂。在100 mA cm⁻²的恒定电流密度下，这一电极在1.52 V（相对于RHE）下经过360小时的测试，依然保持出色的反应稳定性。

图2 管状海绵和电极的微观结构示意图。(a)管状海绵生物结构示意图。(b)高纵横比的仿生管状海绵状催化电极。

创新的光热催化剂设计

在NiFe-P_Zn@PNTA电极设计的基础上，团队还开发了一种新型光热催化剂，结合了光热效应和电催化活性。这一催化电极由通孔多孔镍膜（PNF）及二硫化钼（MoS₂）和FeCoNiS复合材料（MoS₂/FeCoNiS-NT）组合而成，模拟植物叶片的光合作用和气体传输机制(图3)。PNF的多孔结构有效减少了气泡在电极表面的粘附，帮助气泡快速释放，从而增加了电极接受的光照射量。结合光热效应，这种催化剂提高了电解质的交换效率，促进了气泡的释放，进而提升了整体反应效率。实验数据显示，在电流密度为50 mA cm⁻²时，该催化剂在AM1.5G光照下，过电位比无光照时降低了约51 mV，显示出极高的应用潜力。

图3 (a)叶片结构和保持光/二氧化碳吸。（b)仿生叶状结构催化电。

未来展望

创新的电极结构设计不仅为高效水分解催化电极的开发提供了新思路，也展示了仿生学在材料科学中的巨大潜力。通过借鉴自然界高效能量转换机制，成功突破了气泡释放和电子传导的瓶颈，为氢能的可持续生产开辟了新路径。

（撰稿 周亚亚 学院审核 武山）