近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院唐志永研究員和趙陸海波副研究員所帶領(lǐng)的工程科學(xué)團(tuán)隊(duì)，在堿性電解制氫多場(chǎng)協(xié)同過(guò)程強(qiáng)化研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Enhanced production of hydrogen from alkaline electrolysis by microbubbles removal on bionic electrode”為題發(fā)表在工程技術(shù)二區(qū)top期刊Physics of Fluids。論文第一作者為我院職工彭詞，通訊作者為唐志永研究員與趙陸海波副研究員。

可再生能源電解水制氫作為眾多產(chǎn)氫路徑中碳排放最低的工藝，可有效推動(dòng)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)。目前，堿性電解為最成熟的電解技術(shù)，占據(jù)綠氫生產(chǎn)主導(dǎo)地位，可將可再生能源整合至終端，助力各行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳。作為堿性電解水制氫的關(guān)鍵步驟，電催化析氫反應(yīng)過(guò)電位大、能耗高，其主要的工程科學(xué)問(wèn)題之一是電極板電子傳輸產(chǎn)生的電壓降及電極板生成氣泡覆蓋在其表面不能及時(shí)脫離而增加電解電位的問(wèn)題。因此，開發(fā)一種具有電場(chǎng)和流場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)的高效析氫氧氣泡電極對(duì)滿足日益增長(zhǎng)的綠氫需求具有重要意義。

在此背景下，研究團(tuán)隊(duì)建立了電解制氫過(guò)程（流場(chǎng)、電場(chǎng)和反應(yīng)）多場(chǎng)耦合的數(shù)值仿真模型，基于此提出了仿生分形結(jié)構(gòu)的電極板設(shè)計(jì)，模擬結(jié)果顯示Murray定律樹形電極板電壓降最小，流場(chǎng)最均勻，在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣量提高了50%，電化學(xué)LSV（線性掃描伏安法）測(cè)試結(jié)果表明該電極板活化電位降低了10%。多相流可視化測(cè)試表明Murray定律樹形電極析氫微氣泡平均尺寸最小，其界面附著力較小進(jìn)一步加速了氣泡脫離效率，驗(yàn)證了場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)下微氣泡析出過(guò)程強(qiáng)化有助于提升析氫性能。

該研究工作成功開發(fā)了一種基于多物理場(chǎng)仿真和可視化測(cè)試的堿性電解制氫場(chǎng)協(xié)同強(qiáng)化的電極設(shè)計(jì)方法，為研發(fā)高效析氫的仿生堿性電解制氫多相過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)提供了新路徑，將提升堿性電解制氫能量轉(zhuǎn)化效率，推動(dòng)大規(guī)模電解水制氫工業(yè)化過(guò)程，并且可作為一種普適的方法實(shí)現(xiàn)電化學(xué)多相反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)化。

該工作獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中科院STS計(jì)劃。

文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0135547 

圖. 1 仿生電極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備

圖2. （左）多物理場(chǎng)耦合模擬產(chǎn)氫濃度；（右）電化學(xué)實(shí)驗(yàn)LSV曲線。

圖3.析氫微氣泡可視化測(cè)試