在气、液、固三种物质存在形式中，气体就像一群自由奔放的精灵，它们无拘无束，似乎难以控制。在析氢等电化学过程中，这些不受控制的精灵会黏附在电极表面，阻止反应物与电极接触，严重影响反应效率。而CO2还原等耗气电化学反应中的气体反应物则很难及时到达反应界面。
图1.气体参与电化学反应中存在的气体/泡问题
神奇的大自然是人类灵感的宝库，为我们处理各种棘手问题提供了无尽的创意和解决方案。近日，相关研究者提出，通过仿生构建特殊的电极（亲气电极、超疏气电极和不对称电极）就可以操控这些自由的气体精灵，解决多相电化学反应中存在的气体或气泡困扰问题。相关工作以“Bioinspired Gas Manipulation for Regulating Multiphase Interactions in Electrochemistry”发表在《Advanced Materials》上。文章第一作者为北京航空航天大学江雷院士团队龙智云博士，通讯作者为北航于存明副教授和南开大学曹墨源研究员，文章还受到哈尔滨工业大学马军院士的指导。
图2.仿生气体操控电极设计原理
这些仿生电极的设计灵感来源于荷叶的超疏水表面、鱼鳞的超亲水表面以及猪笼草的超润滑表面（图2）。其中，超疏气电极具有 “拒气性”，可以让生成的气泡快速脱离电极界面，解决析氢等析气电化学反应中的气泡黏附问题；而（超）亲气电极具有“亲气性”，可以捕获作为反应物的气体，解决CO2还原等耗气电化学反应中气体难以充分供给的问题；不对称电极则可以根据需求将气体反应物输运至电极界面或将生成的气泡输送走，适用于这两种电化学反应。与传统电极相比，这些仿生气体操控电极可以明显提升电化学反应效率和选择性（图3）。
图3. 仿生气体操控电极优异的析氢和CO2还原效能
图4. 超疏气电极解决析气电化学反应中的气泡问题。
a-c) 超疏气电极、传统电极和超亲气电极在析气电化学反应中气体行为的对比。d) 超疏气凝胶增强电化学制氢策略。e) 双界面构筑的超疏气电极可保障工业电流密度下的稳定制氢。f) 气泡附着在电极上的力学分析。电极的超疏气性导致了较小的附着力（Fa），有利于快速气泡脱离。
图5. （超）亲气电极在气体消耗反应中的应用。
a-c) 超亲气电极、传统电极和超疏气电极在气体消耗反应中气体行为的对比。d) 疏水微孔碳纸促进CO传输从而增强CO电还原反应。e) 疏水的三相接触系统有利于CO2电化学还原反应中CO2的供给。f) 疏水的铜纳米针结构可减轻电极的水淹现象，实现高效的CO2电还原。
图6. 不对称电极用于气体参与的电化学反应。
A) 气体/气泡传输的不对称策略。b) 超亲气/超疏气电极通过增强气泡转移实现高效的析氢反应。c) 具有浸润性梯度和形状梯度的双梯度电极通过操控生成的微气泡实现可控的水分解。d) 亲疏异质的催化剂：离子聚合物平面异质结具有高效解耦的气液传输通道。e) 浸润性异质的双层袋状Au/PE催化剂系统用于高效的电催化CO2还原。
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