基于仿生功能器件的地外水分解制氢技术

针对地外空间水分解反应面临的低制氢效率和微重力环境适应性等关键科学技术问题,采用光合成创新方法优化水分解制氢催化反应和气液分离过程。为解决贵金属基催化剂高成本和难以加工微纳结构电极等问题,设计并制备了一种具有超薄二维网状结构的磷化钴/氢氧化钴(CoPOH)复合催化剂。该复合催化剂在电流密度为10 mA/cm^(2)的条件下过电势仅为12 mV,Tafel斜率仅为61.2 mV/dec,经过1000次循环伏安测试后过电势仅提高26 mV。以上结果表明该复合催化剂能够有效提高产氢速率和能量转化效率,并具有良好的稳定性。此外,利用面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术,模仿水黾腿部的超疏水表面制备了一种具有微米结构的亲气疏水仿生Janus功能界面。该界面能够使不同种类气体沿与重力相反的方向快速穿过,平均时间仅为2.4 ms。基于该界面优异的气液分离特性制备的水分解制氢功能器件,可克服传统制氢反应中气体扩散和多种产物混合带来的分离难题。在微重力环境下,由于氢气难以快速在电极表面脱附和输运,显著影响析氢反应效率;利用本研究制备的功能界面,气体能够沿重力方向快速穿透,为克服地外环境下多相反应界面上气体脱附与分离难题提供了有效的解决方法。通过制备具有优良催化性能的复合催化剂和适应微重力环境的仿生功能界面,研制了地外水分解制氢功能原理器件,不仅为地外原位资源利用提供了理论和试验基础,还为构建地外碳氢氧闭合物质系统中析氢反应装置设计提供了解决方案。