超亲水/超疏气电解水催化剂的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230126

摘要/Abstract

摘要：

电解水制氢是一种环保、简便且易于操控的制氢技术。工业化电解水制氢通常在高电流密度下进行，在制氢过程中会产生大量气泡，而气泡在电极表面聚集粘附会覆盖大量活性位点，导致电解水效率降低。因此，调控气体扩散行为对于工业电解水应用来说至关重要。近年来，超浸润材料因为其独特的润湿性能而备受关注。通过控制催化剂表面的化学组成和多尺度微纳米结构可以构建出超浸润界面材料。此类材料具有超亲水/超疏气的界面结构，有助于水相电解液的有效浸润和原位生成气泡的快速释放，从而提升催化剂的水电解性能。系统介绍了2014年至2023年期间报道的部分具有超亲水/超疏气界面结构的电解水催化剂的现状，概述其材料的合成设计策略和水电解催化性能，并对超浸润水电解催化剂的研究现状、面临的挑战和应用前景进行了总结和展望。

关键词: 超疏气, 超亲水, 界面, 水电解, 纳米材料

Abstract:

Among many hydrogen production technologies， electrolysis of water has many obvious advantages， such as environmentally friendly， simple and easy to operate. Industrial-scale hydrogen production is typically carried out at high current density. A great number of H₂ bubbles will generate on the electrode surface during the process of hydrogen production. The aggregation and adhesion of bubbles on the electrode surface will lead to a large number of active sites being covered， resulting in the reduction of the efficiency. Therefore， regulating bubble wetting behavior is crucial for industrial electrolysis of water. In recent years， superaerophobic materials have attracted much attention due to their unique wetting capabilities. Superwetting interface materials can be constructed by controlling the chemical composition of the electrode surface and constructing rough structure at micro and nano scales. This type of material has a superhydrophilic/superaerophobic interface structure， which facilitates the effective infiltration of aqueous electrolyte and accelerates the release of in-situ generated bubbles， thus enhancing the water splitting performance of the catalyst. This paper systematically introduces the water splitting catalysts with superhydrophilic/superaerophobic interfacial structures reported in recent years， outlines the synthetic design strategies and catalytic performance of the catalysts， and the current research status， challenges and application prospects of superwetting water splitting catalysts are summarized and prospected.

Key words: Superaerophobic, Superhydrophilic, Interface, Water splitting, Nanomaterial

中图分类号:

O646

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图/表 7

图1 表面粗糙度如何影响气泡、液滴接触角的示意图：（A）平坦的疏气性表面，（B）粗糙的超疏气性表面，（C）平坦的亲水性表面，（D）粗糙的超亲水性表面

Fig.1 Schematic illustration of how the surface roughness affecting the bubble contact angle：（A） flat aerophobic surface，（B） rough superaerophobic surface，（C） flat hydrophilic surface，（D） rough superhydrophilic surface

图2 （A）气泡演化过程；（B）电极表面单个气泡的应力分析；（C）电解水示意图

Fig.2 （A） Bubble evolution process；（B） Stress analysis of one single bubble on the electrode surface；（C） Illustration of electrodes for water splitting

图3 具有纳米复合结构的催化剂：（A） Ni/NiMoN 纳米阵列［99］；（B）纳米片上均匀分布纳米颗粒；（C）相互连接的纳米颗粒结构

Fig.3 Nanocomposite catalyst：（A） Ni/NiMoN nanowire array［99］；（B） Nanoparticles distributed on the nanoparticle；（C） Interconnected nanoparticle structures

图4 （A）平面薄膜电极和条带电极上气泡的生长示意图［66］；（B）具有分级毛刺状纳米结构的自支撑氧化钴电催化剂的制备工艺及全解水原理图［69］；（C） Ni-MoO2/NF和NiMoO4/NF的制备示意图［70］；（D） 3DPNi和NF中传输过程中气泡形状模拟图［71］；（E） Ni3S2-NiFe LDHs/NF的合成示意图（i），NF（ii）、NiFe LDHs/NF（iii）和Ni3S2-NiFe LDHs/NF-2（iv）的表面浸润性和气泡脱附行为［77］；（F）在大孔MXene/NF框架上生长NiFe-LDH纳米片介孔网络制备多层结构的三维电催化电极示意图［79］

Fig.4 （A） Schematic illustration of the growth of gas bubbles on a flat film electrode and SP assemblies［66］；（B） The preparation process of the self-supported electrocatalysts with hierarchical chestnut burr-like structures and schematic diagram for overall water splitting application［69］；（C） Schematic illustration of the fabrication of Ni-MoO2/NF and NiMoO4/NF［70］；（D） Simulation frames showing bubble shape during transport in 3DPNi and NF［71］；（E）（i） Schemic of the synthesis of Ni3S2-NiFe LDHs/NF and surface wettability and bubble releasing behavior of the （ii） NF，（iii） NiFe LDHs/NF and （iv） Ni3S2-NiFe LDHs/NF-2［77］；（F） Schematic illustration of the fabrication of hierarchically structured 3D electrocatalytic electrode by growing me-soporous network of NiFe-LDH nanosheets onto macroporous MXene/NF frame［79］

图5 （A）气泡在平面薄膜（左）和纳米结构薄膜（右）上的粘附行为示意图［9］；（B）超亲水/超疏气CoMoS x /NF全解水电催化剂的示意图［84］；（C）具有不同表面结构的CoMoS x /NF示意图（i），SEM图像（ii），水下气泡接触角（iii）和静态水滴接触角（iv）的光学图片［83］；（D）在石墨盘（或玻璃）衬底上制备CoS2薄膜、微米线阵列和纳米线阵列的示意图［15］；（E） Cu3P微米片的制备示意图［92］；（F）Ni2P纳米阵列的合成过程示意图［93］

Fig.5 （A） Schematic illustration of adhesion behaviors of gas bubbles on flat film （left） and nanostructured film （right）?［9］；（B） Design of the superhydrophilic/superaerophobic CoMoS x /NF electrocatalysts for overall water splitting［84］；（C）（i）Schematic illustration of CoMoS x supported on the NF with three distinct geometries，（ii） SEM images of CoMoS x /NF at different reaction times，（iii） air-bubble contact angles under water and （iv） static water-droplet contact angles［83］；（D） Schematic depictions of the preparation of a cobalt pyrite （CoS2） film， microwire array， or nanowire array on a graphite disk （or glass） substrate［15］；（E） Schematic illustration of the preparation of Cu3P microsheets［92］；（F） Schematic illustration of the synthetic process for Ni2P nanoarrays［93］

表 1 2014-2023年文献报道的部分超亲水/超疏气电解水催化剂的性能总结

Table 1 The performance of electrolytic water catalysts with superhydrophilic/superaerophobic interface structure in 2014-2023

Catalyst	η^a （HER/OER）/mV	Bubble contact angle/（°）	Stability/h	Ref.
Pt nanoarray	-/-	161.3±3.4	36（-0.5 V）	［21］
Pt SP₅	η_14.3=15 mV/-	—	11（30 mA/cm²）	［66］
Ni/NiO@MoO_3-_x	η₁₀=7 mV/-	149.4	40（100 mA/cm²）	［67］
Ni-MoO₂/NF	η₂₀=1.53 V/-	—	120（1.53 V）	［70］
CoO/Co₃O₄	η₁₀=105 mV/η₁₀=235 mV	—	72	［69］
C-Ni_1-_x O/3DPNi	η₁₀₀₀=245 mV/-	—	16（2.2 V）	［71］
Ru/Co（OH）₂	η₁₀=35 mV/-	141	14（500 mA/cm²）	［75］
P-Ni（OH）₂/NiMoO₄	η₁₀=60 mV/-	153.8	30	［76］
NiFe-LDHs/NF	-/η₁₀₀₀=303 mV	—	240	［77］
Pt@S-NiFe LDHs	η₁₀=60 mV/-	163.6	200 （100 mA/cm²）	［78］
3D NiFe/MXene	η₅₀₀=205 mV/η₅₀₀=30 200 mV	—	280（10 mA/cm）²	［79］
CoS₂	η₁₀=145 mV/-	—	40 （10 mA）	［15］
MoS₂	—	153.6±2.4	—	［9］
CoMoS _x /NF	η₁₀=89 mV/-	—	100 （500 mA/cm²）	［83-84］
MoS₂/Mo₂C	η₁₀₀₀=220 mV/-	—	24	［81］
FeCoNi-HNTAs	η₁₀=58 mV/η₁₀=184 mV	171.0	100（50 mA/cm²）	［86］
FeS/IF	η₁₀₀₀=336 mV/-	151.7	30	［91］
Fe-Ni-P-S	—	142.3	300（2 500 mA/cm²）	［85］
CuMo₆S₈/Cu	η₂₅₀₀=321 mV/-	—	100（2 500 mA/cm²）	［82］
Cu₃P	η₁₀=130 mV/η₁₀=290 mV	155.7	24	［92］
Ni₂P/NF	η₁₀₀₀=306 mV/-	—	10（25000 mA/cm²）	［93］
Ni₂P NV/CF	η₁₀=1.48 V/-	—	50	［94］
NF@Co _x P	η₁₀=185 mV/-	—	12 （800 mA/cm²）	［95］

图6 基于超浸润电极的涉气反应

Fig.6 Gas-involving reactions based on superwetting electrodes

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