界面调控与梯度润湿性工程实现工业级H2O2电合成的自呼吸电极研究

《Nature Communications》：A self-breathing electrode enabled by interface regulation and gradient wettability engineering for industrial H2O2 electrosynthesis

本研究针对传统气体扩散电极因PTFE粘结剂熔融封装和孔隙无序导致的传质瓶颈问题，通过构建非熔融颗粒堆积界面和梯度润湿性催化剂层，结合多尺度模拟与实验验证，实现了在300 mA cm-2工业级电流密度下持续300小时、法拉第效率>85%的H2O2电合成，并成功开发出400 cm2自呼吸流通式电合成平台，为绿色化工提供了颠覆性技术方案。

　　

过氧化氢（H₂O₂）作为绿色氧化剂，在化工合成和水处理领域具有不可替代的地位。然而，现行主流的蒽醌法生产工艺存在高能耗、高污染等痛点，而电化学双电子氧还原反应（2e^-ORR）技术虽能利用空气和水实现绿色合成，却受限于气体扩散电极（GDE）在高电流密度下的"水淹"现象。传统催化剂层（CL）中聚四氟乙烯（PTFE）粘结剂的熔融封装会导致活性位点覆盖和孔隙结构紊乱，严重制约三相界面（TPI）形成和传质效率。

为突破这一技术瓶颈，浙江大学叶天等研究者在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地提出了非熔融颗粒堆积界面结构设计理念。通过聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）三维重构和格子玻尔兹曼方法（LBM）等多尺度模拟技术，首次揭示了润湿性与孔隙几何耦合调控电解质侵入的机理。基于此，团队构建了具有有序孔隙和可调控润湿性梯度的分层催化剂层，实现了毛细力驱动的电解质定向输运。

关键技术方法包括：采用改进的喷雾涂布法制备非熔融颗粒堆积电极（PPE），通过氧等离子体刻蚀构建润湿性梯度，结合FIB-SEM三维重构、LBM多相流模拟和分子动力学（MD）计算，并开发微流控可视化平台验证传质机制。

非熔融颗粒堆积界面结构

研究团队通过对比传统熔融-分离界面（FSE）电极和新型颗粒堆积界面（PPE）电极，发现尽管二者宏观接触角相同（150°），但在300 mA cm^-2电流密度下，FSE电极法拉第效率（FE）在5小时内骤降至1%以下，而PPE电极能维持80%以上效率。通过三维重构和模拟分析，证实PPE结构中离散的PTFE颗粒与碳黑（CB）形成交错网络，创造了连续的气-液-固三相界面。

基于非熔融界面结构的CL优化

系统调整PTFE/CB质量比（P/C=0-1.5）的实验表明，P/C=0.9时电极在250 mA cm^-2以下均保持>80% FE。当P/C>1.2时，因PTFE聚集导致相分离，反而阻碍氧传输。激光粒度分析发现高P/C比会使墨水粒径分布向大尺寸偏移，揭示了墨水分散质量对电极性能的关键影响。

CL中气液传输与TPI机理

FIB-SEM三维重建显示CL具有0.73孔隙率和双峰孔径分布。LBM模拟直观呈现了电解质指状侵入过程，发现CB/PTFE界面处的润湿性梯度能有效捕获气包，形成稳定TPI。通过四重结构生成集（QSGS）算法生成的系列结构模拟进一步验证，提高PTFE分散均匀性比单纯增加含量更能促进TPI密度。

分层梯度CL实现液体排斥与产物定向传输

设计双层层（PPE-D）和三层（PPE-T）梯度结构电极，其中PPE-T通过等离子体处理使表面接触角从158°降至30°，形成连续润湿性梯度。突破脉冲测试显示梯度电极具有更高的抗水淹能力，微流控实验观察到H₂O₂在疏水梯度芯片中向大孔区定向迁移，证实了拉普拉斯压力驱动的主动传输机制。

商业化规模自呼吸电合成平台验证

PPE-T电极在15 mA cm^-2下稳定运行500小时（FE>90%），在300 mA cm^-2下持续300小时（FE>85%）。研发的400 cm²四单元自呼吸流通式电堆，集成电子、流体和热管理子系统，在100 mA cm^-2下连续运行100小时仍保持85-95% FE，H₂O₂生产成本降至0.381美元/kg。

该研究通过界面调控和梯度工程设计，解决了GDE领域长期存在的传质瓶颈问题，不仅建立了新一代电极的设计原则，更推动了H₂O₂电合成技术向工业化应用迈出关键一步。所构建的自呼吸电合成平台展示了分布式绿色化工生产的可行路径，为碳中和目标提供了技术支撑。