UCSC的Yat Li教授与LLNL的Cheng Zhu博士 AEM：电极表面纳米椎化促进大电流水分解的气泡脱离

第一作者：Qiu Ren, Longsheng Feng

通讯作者：Prof. Yat Li, Dr. Cheng Zhu

单位：University of California, Santa Cruz (UCSC), Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)

碱性介质下的电解水（AWS）被视为绿色氢气生产技术之一。在商业应用中，AWS系统通常以相对较低的电流密度运行。因此，在实现商业化的氢气生产过程中，提高催化剂的非本征活性以增强其在高电流密度条件下的水电解性能显得尤为关键。然而，高电流密度导致在电极表面产生大量气泡。如果这些气泡无法及时从电极表面脱离，它们将占据活性位点，阻碍电解质与电极的有效接触，从而导致欧姆降，最终降低氢气产率。因此，解决电解水过程中气泡的形成和脱离问题至关重要。电极形貌工程是应对气泡脱离问题的一项有效策略。根据Cassie-Baxter模型（见公式1），与光滑表面相比，在粗糙表面上，气泡与电极接触面积减小，从而形成更大的气泡接触角。根据气泡脱离时直径和接触角之间的关系（见公式2），具有更大气泡接触角的表面将产生较小直径的气泡，从而缩短气泡产生和脱离时间。

基于此，UCSC的Yat Li教授与LLNL的Cheng Zhu博士等人合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Nanocone-Modified Surface Facilitates Gas Bubble Detachment for High-Rate Alkaline Water Splitting”的研究文章。

这项研究采用了电化学沉积方法，通过在不同镍基底上生长均匀的镍纳米椎结构，以提高电极表面的粗糙度。这一改进有助于促进水分解过程中产生的氢气和氧气气泡在电极表面的有效脱离。通过理论模拟和实验验证，证明了镍纳米椎修饰的电极相较于光滑电极具有更卓越的催化性能。这项工作为增强高电流密度下电极的非本征活性以及提高水分解制氢速率提供了新的研究思路。

为了研究电极表面镍纳米椎结构对气泡脱离过程的影响，作者采用了Shan-Chen-type模型进行了理论研究。分别在光滑和纳米椎表面上放置一个气泡，并记录了气泡与表面的附着时间（t_A）。为了探究气泡与镍纳米椎表面之间的接触面积变化对气泡脱离的影响，作者改变了气泡在纳米椎的初始深度（h/h₀）。因此，通过附着时间来衡量纳米椎对气泡脱离的起始影响。计算结果展示了镍纳米椎有效地增强了电极表面气泡脱离。这可以归因于两个主要因素。首先，镍纳米椎修饰电极减小了气泡与电极之间的接触面积，随着接触面积的减小，气泡与基底之间的接触持续时间相应减少。其次，由于吸附力沿着表面法线方向作用，与光滑表面上的浮力方向相反。然而，在镍纳米椎表面上，吸附力不是直接相对于浮力相反，而是形成一个角度（取决于锥形物的开口角），从而减小了吸附力的影响。

作者在镍片上进行了电化学沉积，制备了镍纳米椎结构（Foil_NC），使用高速相机观察了气泡在光滑电极Foil和Foil_NC电极上从产生到脱离的时间以及气泡的大小。相对于光滑的Foil（56.90 ± 26.18 s），氢气气泡在Foil_NC上产生和脱离时间显著缩短（3.05 ± 6 s）。此外，在Foil_NC上脱离的氢气气泡尺寸也明显减小（97 ± 42 mm），而光滑Foil上气泡尺寸为（379 ± 121 mm）。氧气气泡也展示了类似趋势，氧气在Foil上脱离时间和脱离直径分别为45.61 ± 26.25 s和343 ± 110 mm，而在Foil_NC上为5.41 ± 15.33 s和97 ± 72 mm。随后作者测试了Foil_NC和镍纳米椎修饰的泡沫镍电极（Foam_NC）的HER和OER性能，作者发现，由于镍纳米椎结构有助于气泡的脱离，因此Foil_NC和Foam_NC比光滑电极表现出更出色的性能。

在Prof. Yat Li的课题组之前的研究中，已经报告过通过使用具有有序孔结构的3D打印技术制备的镍电极可以促进气泡的快速输运，从而显著缩短气泡在电极内部的运动时间（Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002955）。基于这项研究的基础，作者在3D打印的镍电极上进一步进行了修饰了镍纳米椎结构，以制备Lattice_NC电极，以更深入地解决气泡的产生和脱离问题。

通过电化学数据的分析，由于3D打印镍电极的周期性有序孔道，以及表面的镍纳米椎修饰，相较于Foil_NC和Foam_NC电极，Lattice_3D展示了最佳的HER和OER性能。除此之外，在910 mA cm-2的电流密度下，经过100小时的电解水稳定性测试，依旧保持初始电流密度的95%，展现出了卓越的稳定性能。

Nanocone-Modified Surface Facilitates Gas Bubble Detachment for High-Rate Alkaline Water Splitting

Yat Li: UCSC化学与生物化学系教授。2002在香港大学取得博士学位。2003至2007年于哈佛大学博士后，师从著名纳米学科奠基人Charles M. Lieber教授。2007年加入UCSC担任助理教授，2018年晋升教授。主要研究领域包括低维纳米材料的设计制备与其在能源与催化领域的应用。他至今已在学术期刊发表了160多篇论文，被引用了37000次，H指数为90。

Dr. Cheng Zhu：LLNL工程师。2010年在俄克拉荷马州立大学取得化工博士学位。主要研究兴趣集中在复杂流体流变学、DIW 3D打印技术、能源存储以及多相催化等。在Science Advances, Nature Communications, Nano Today等顶级期刊发表学术文章30余篇，引用4900多次，h因子27。

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