于存明副教授、金旭研究员、刘克松教授， Nano Letters：亲疏协同NiFe-LDHs电极用于碱性条件高效全解水

第一作者：张春晖，滕超

通讯作者：于存明*，金旭*，刘克松*

单位：北京航空航天大学，青岛科技大学，中国科学技术大学苏州高等研究院

氢能作为一种高能量密度、环境友好的清洁燃料，已成为现今能源转型的重要媒介。通过电解水过程将风电、光电转化为氢能是实现绿色能源制备、储存的重要途经。然而，电解水过程中的氢（H₂）和氧（O₂）的低效传质行为严重降低了电解水效率。例如，氢/氧气泡的低效转移会导致气泡粘附和气泡分散问题，屏蔽催化活性位点并增加溶液电阻，增大电解水阻力；溶解的氢/氧分子扩散效率低，使得电极界面处溶解气体分子严重过饱和，导致浓差极化过电位。上述气体传质问题严重制约了电解水效率的提升。

近日，来自北京航空航天大学的于存明副教授、刘克松教授与中国石油勘探开发研究院的金旭教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Superaerophilic/superaerophobic NiFe-LDHs electrode for enhancing overall water splitting in alkaline media”的研究论文。在这项工作中，作者通过在镍表面构筑超亲气条纹涂层及双功能超疏气NiFe-LDHs催化剂，同时实现了高效氢/氧气泡及溶解氢/氧分子的高效传质，提升了电解水效率。

该工作构筑的超亲气/超疏气NiFe电极表面的超亲气条纹可以有效促进氢/氧气泡转移。如图2所示，超亲气条纹在水下会保持一层气膜，充当气泡转移的快速通道，无论无论是HER还是OER过程，电解产生的气泡在其与气膜之间产生的Laplace压差的驱动下能够实现快速转移（转移时间约2ms）。对比超疏气电极，其气泡转移主要依靠浮力，转移速度慢，易在电极表面形成气泡层，阻碍电解水反应。

由于超亲气条纹表面气膜与大气连同，电极界面富集的溶解氢/氧分子可通过该气膜扩散至大气，显著降低了溶解氢/氧分子在电解液体相的扩散距离，进而提升扩散效率。作者通过有限元模拟对比了超亲气条纹引入与否对电极界面溶解氢/氧浓度的影响，发现超亲气条纹的引入可以显著降低电极界面溶解氢/氧分子的浓度，减小浓差极化过电位，提升电解水效率。

基于氢/氧气泡和溶解氢/氧分子传质效率的增强，超亲气/超疏气NiFe-LDHs实现了高效全解水，达到10 mA cm^-2所需的池电压仅需1.54 V。该工作提供了一种促进液相气体产物传质的普适性方法，对各类析气电极的设计开发具有借鉴意义。

Superaerophilic/superaerophobic NiFe-LDHs electrode for enhancing overall water splitting in alkaline media

承担国家重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目30余项。发表论文138篇，其中第一/通讯作者收录46篇，总引2400余次、SCI引用超1800次，获《中国科学-化学》年度最佳论文及SPE年度最佳论文奖，入选领跑者F5000论文；授权国家发明专利38件、国际发明专利15件、软件著作权2件；发布国家/行业标准5项；入选教育部国家级领军人才计划，获得省部级科技奖励10余项。

刘克松教授简介：北京航空航天大学化学学院教授，研究领域聚焦仿生超浸润材料、油水分离材料、仿生集水材料等。已在Chem. Rev.，Chem. Soc. Rev.，Angew. Chem. Int. Ed.，Prog. Mater. Sci.，Nano Today，Annu. Rev. Mater. Res.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Acs Nano，Adv. Sic., Sci. China: Chem.等国内外高水平期刊发表论文60余篇，授权国家发明专利14项。研究成果10余次被选作Adv. Mater.等期刊封面/插页。入选教育部长江学者特聘教授（2019年度）、第三批国家“万人计划”青年拔尖人才（2016年度）、北京市科技新星（2016年度）、北航青年科学家团队等人才/计划称号。曾获教育部自然科学奖一等奖（排名1，2018年度）、中国青年科技奖（2018年度）、第21届茅以升北京青年科技奖（2018年度）、北京市优秀教师（2018年度）等科研奖励。