超浸润电极的仿生构筑与功能研究

With the rapid economic and social development, the ecological environment issues become increasingly prominent. Furthermore, environmental pollution has been a major global strategic issue. Surfactants are widely used in the fields of industry and daily life. However, owing to their amphiphilic groups, it is difficult to effectively remove them from water. For human beings, nature is the source of technical thoughts, engineering principles, and significant invention. Here, inspired by the underwater superoleophobicity of the fish scale, in combing with our research background in the fields of super-wetting materials and electrochemistry, a project concerning bio-inspired electrodes with super-wettability and their applications is proposed. Bio-inspired micro/nano multiscale structures were fabricated on the electrodes using different strategies, which exhibited super-wettability such as underwater superoleophobicity or underwater superaerophilicity. This superwettability will enhance the efficiency and stability of solid-liquid-gas three phase reactive interfaces during the electrochemical reaction, which extends the working life of the electrodes. The electrochemical mechanism at the interfaces of super-wetting electrodes will also be revealed in this project, which should be helpful to design high-efficient super-wetting electrodes and expand the application of superwetting electrodes in the field of industry.

伴随着经济社会的快速发展，环境污染已经成为全球共同关注的重大战略问题。表面活性剂被广泛应用于工业制造和民用清洗领域，其独特的双亲性基团使其很难在水体中被有效移除。自然界是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。受鱼体表面水下超疏油等特性启发，结合我们在仿生超浸润材料和电化学等方面的工作基础，本项目拟开展“超浸润电极的仿生构筑与功能研究”。在电极表面仿生构筑微纳米多尺度结构并对其进行改性，使电极表面具有水下超疏油、水下超亲气等超浸润特性，以提高电化学反应中固-液-气三相反应界面的效率和稳定性，延长电极工作寿命。通过揭示超浸润电极界面电化学反应机理，为开发高效率的电极材料提供理论指导和依据，以期拓展仿生超浸润电极材料在工业等领域的应用。

本项目的研究目标为仿生构筑电化学过程中具有高效传质能力的超浸润界面材料，主要研究内容为基于微纳多尺度调控电极材料表面超浸润特性，探索超浸润电极材料表面对于优化电极传质效率、提升电催化活性、延长电极使用寿命等。受自然界中具有特殊浸润性生物材料的启发，糅合仿生学、纳米化学、电化学、材料学等多学科理论知识，通过构筑空气中亲/疏水、空气中亲/疏油、水下亲/疏油、水下亲/疏气等特殊浸润性材料，系统开展了超浸润电极材料在析氢反应、Kolbe反应及纳米阵列复合电极材料的可控制备等方面的应用研究。项目按照研究计划顺利进行，已按要求完成项目内容。采用多种模板（PC膜、六方孔阵列PMMA膜、阳极氧化铝膜等）仿生构筑超浸润镍微柱阵列、凹角镍蘑菇阵列电极材料，以及在碳纸表面电化学沉积Pt构筑水下超疏油纳米阵列复合电极材料，揭示电极材料微纳多尺度结构与表面超浸润特性以及电化学反应界面高效传质之间的内在关联。通过调控电沉积过程中前驱体的浓度、电化学沉积电位、沉积时间等，对电极材料表面微纳多尺度结构以及阵列间距、曲率半径等因素进行精确设计，构筑具有空气中超亲水、水下超疏油、水下超疏气等不同浸润特性的电极材料，对电极材料的微观形貌和电化学催化活性进行表征分析，为高性价比、高催化活性电极材料的优化设计提供理论支撑。在此项目开展过程中，结合近年来仿生超浸润材料领域的研究热点，仿生构筑了系列具有功能集成性能的仿生材料，并开展了仿生材料在流体输运、液滴操控、防腐蚀、智能响应等领域的应用探索。项目所取得的成果在Angew. Chem. Int. Ed.（1篇），Adv. Mater.（1篇），Adv. Funct. Mater.（3篇），Adv. Sci.（2篇）， ACS Nano（1篇），Sci. China Chem.（1篇）等期刊发表学术论文9篇（其中IF>10的8篇），申请国家发明专利9项，其中4项国家发明专利已获授权。培养博士、硕士研究生11名，其中1人获得北京市优秀毕业生称号。2019年应邀参加“中国材料大会超材料与多功能材料学术会议”，并做邀请报告。