鱼鳃的气体传质机理研究及仿生自呼吸空气阴极制备

Air-cathode fuel cells (ACFCs) are one of the widely investigated areas in renewable energy research. Yet it remains a grand challenge to achieve high oxygen transfer efficiency for ACFCs at the three-phase interface of gas/liquid/solid. In nature, the gills of fast-moving sea fish are able to realize oxygen transfer with high efficiency and selectivity only by using micro-nano structures (pit, gap and ridge). Herein, the typical micro-nano structures in the gills of sea fish will be examined to gain inspirations for the development of bionic gas-transfer technologies. The oxygen transfer process and enhancement by the multi-scale micro-nano structure and surface tension on the gill surface will be investigated to reveal the respective characteristics and mechanism. Subsequently, innovative design principles will be proposed for the fabrication of bionic self-breathing gas-transfer component. Then, a range of fabrication techniques including heat pressing, roller pressing, 3D printing, laser processing and vapor deposition will be explored to prepare the bionic gas-transfer component. Three key scientific questions will be addressed in the present work: 1) the high-efficiency oxygen transfer mechanism of typical fish gills; 2) the structure-activity relationship between the micro-nano structures on gill surface and the oxygen transfer properties; 3) the bionic fabrication principles and methods based on the oxygen transfer mechanism of typical fish gills. This project will not only open new avenues for the design of air-cathode with improved oxygen transfer efficiency, selectivity and durability, but also offer valuable insights to the practical applications of equipments involving oxygen transfer at the three-phase interface of gas/liquid/solid, especially for ACFCs.

空气阴极燃料电池是新能源研究的重要分支之一。气液固三相界面上，氧气传质效率的提高一直是空气阴极电池面对的技术难题。自然界中金枪鱼等快速运动的鱼类仅利用鱼鳃表面的有序组织结构(小坑、间隙、隆嵴)便实现了对水中溶解氧的高效选择性传质。本项目以典型鱼类鱼鳃表面微纳结构为对象进行仿生氧气传质技术研究，重点研究构件表面多尺度微纳结构和表面张力对氧气分子运动的促进作用，揭示鱼鳃表面多尺度微纳结构的氧气传质特性和机理，提出新型仿生自呼吸氧气传质元件的设计原则和方法，综合模具热压成型、辊压成型、3D打印、激光加工和气相沉积等工艺制造仿生氧气传质元件。拟解决三项关键科学问题：典型鱼类鱼鳃的氧气高效传质特性和机理；典型鱼类鱼鳃表面传质特性与鱼鳃表面微纳结构之间的构效关系；基于鱼鳃表面微纳结构的仿生高效气体传质元件的仿生制造。项目研究对于提高空气阴极的氧气传质效率、选择性与稳定性具有重要的理论和应用价值。

目前空气燃料电池（金属-空气电池、氢氧燃料电池、微生物燃料电池等）具有工作温度低、比率功率高、操作方便等优点、被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。虽然空气燃料电池带来了绿色、环保、便宜、维护方便等诸多优点，但是电池阴极缓慢的O2传质和缓慢的氧还原动力学等问题限制了空气燃料电池功率密度的进一步增大。如何在气/液/固三相界面更高效利用O2这一难题长期困扰着自呼吸空气阴极领域的科研工作者。鱼类经过亿万年的进化优化所形成的优异呼吸器官——鱼鳃，其本身结构特征精细、生物传质机理复杂、水中的氧气传输效率高，研究发现鱼鳃的组织结构能够在气/液/固三相界面高效吸收溶解在水中的O2，呼出血液中因呼吸作用产生的CO2，并且具有自清洁结构，维持其长期有效运行。因此，鱼鳃结构的研究为设计与制备气体交换器件提供了重要的启示，且鱼鳃的呼吸功能与结构之间的构性关系一直备受科研工作者的关注。.本项目以典型鱼类鱼鳃为研究对象，采用三维模型建模与流体模拟计算相结合的方法对鱼鳃的微观结构及传质机理进行了研究。通过研究得出，鱼鳃鳃丝上分布的鳃小片能有利于鳃丝表面形成较强的湍流，从而解释了鱼鳃的高效率氧气传质特性。基于此提出了基于鱼鳃柔性鳃丝的仿生空气阴极构件的设计原理，设计并提出了仿生空气阴极。随后，本项目分别通过化学气象沉积法和3D打印技术制备了仿生柔性空气阴极与仿生多通道空气阴极。通过化学气象沉积法制备的仿生柔性空气阴极催化氧还原反应时的电子转移系数为3.89，接近理论4电子反应途径的氧还原反应电子转移数，因此提高的电池的功率密度。应用该仿生柔性空气阴极的电池展现出了优异的柔性及不同弯曲条件下仍能保持原有的充放电性能。利用3D打印技术制备的仿生多通道阴极可有效提高电池功率密度，通过本项目的研究，确定了孔径在500μm的仿生多通道阴极展现出了最高的功率密度（96.0 mW cm-2）。