摘要

氣泡在工作電極上的演變對于水電解和其他氣體產(chǎn)生電化學系統(tǒng)至關(guān)重要，但尚未被廣泛探索。在此，我們對由單工作和雙工作微電極組成的水電解系統(tǒng)中的電化學反應性能和伴隨的氣泡演變進行了實驗研究，強調(diào)了集體氣泡動力學在氣體產(chǎn)生電極反應中的決定性作用。我們證明，與兩個單工作電極系統(tǒng)相比，當兩個微電極彼此足夠接近時，雙工作電極系統(tǒng)中的水分解反應會顯著增強；此外，存在一個具有最大改進反應速率的電極間距。這通過增加操作潛力或減小電極尺寸來增加，最大增量測量到高達-120%，這一非平凡現(xiàn)象可以通過在水電解過程中工作微電極上氣泡生長和聚結(jié)的空間依賴動力學來充分解釋，這些動力學產(chǎn)生了促進電解質(zhì)循環(huán)的復雜水動力流。我們的工作加深了對氣體氣泡演變和電化學反應性能耦合動力學的基本理解，相關(guān)發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建高效、低功耗的電解槽提供了新的途徑。

介紹

氫氣由于其高能量含量、可再生性和內(nèi)在清潔性，被廣泛認為是未來替代傳統(tǒng)化石燃料的動力最有前途的候選者。鑒于大氣中天然氫含量非常有限，以及氫分離和提純相關(guān)的挑戰(zhàn)，人們投入了大量努力來尋找和開發(fā)氫氣生產(chǎn)技術(shù)。在眾多現(xiàn)有的方法中，水電解是利用可再生材料（即淡水和海水）和清潔能源（即來自陽光、海/海洋、流動水或風的電力）生產(chǎn)氫氣的最有可能的方法，這就是所謂的綠色氫。目前，大多數(shù)氫氣（高達95?%）是從不可再生的化石燃料中獲得的——特別是通過天然氣的蒸汽重整，這排放了超過8.3億 tons的CO2 每年；因此，在全球碳項目全面實施的情況下，通過可再生能源生產(chǎn)的綠色氫氣正獲得越來越多的公眾關(guān)注。

水電解制氫包括兩個必不可少的微觀尺度上的子過程，它們依次發(fā)生。首先，當對水性電解質(zhì)溶液施加足夠高的電壓時，解離的質(zhì)子會在陰極獲得電子形成氫分子，這可以通過Volmer-Heyrovsky或Volmer-Tafel途徑實現(xiàn)。這個析氫反應（HER）主要在酸性或堿性條件下進行，使用水分解電催化劑來提高反應效率。特別是，聚合物電解質(zhì)膜（PEMs）通常被用作水電解的電解質(zhì)，它們在酸性電解中通常比在堿性電解中有更高的耐久性。其次，由于它們在水性電解質(zhì)溶液中的溶解度較低，生成的氫分子隨后在陰極/電催化劑表面成核并形成氣泡，這些氣泡最終會在足夠大時從表面脫落。陰極/電催化劑表面積累的氫氣泡會顯著減少液-固接觸，阻礙HER，降低氫氣生產(chǎn)效率，并增加能耗。因此，保持工作電極和/或電催化劑不積聚氣泡已被認為是構(gòu)建高效、低能耗的水電解系統(tǒng)的關(guān)鍵。為此，針對氣體產(chǎn)生電化學系統(tǒng)提出了許多氣泡去除策略。而積極的方法可以促進氣泡脫離和剪切引起的質(zhì)量傳遞。由外部流體動力學、聲學或磁力引起的對流和/或流動，被動方法主要通過表面紋理化和親水化處理電極和電催化劑表面，以減少氣泡的脫離半徑。在探索氫氣泡生成的基礎理論方面也付出了大量努力，證明了氣泡動力學在電化學反應中的重要性。特別是，對單個氫氣泡從微電極表面的形成、生長、脫離及其對電化學性能的影響進行了廣泛研究，并且已經(jīng)非常清楚。令人驚訝的是，最近發(fā)現(xiàn)，在工作電極上的氣墊中，大氫泡與微泡的融合可以通過沃辛頓噴射的破碎導致電解質(zhì)液滴的噴射，從而影響氣泡的脫離。然而，在實際的水電解過程中，氫泡從未單獨出現(xiàn)，而是成簇出現(xiàn)，因此需要揭示氣泡群體在產(chǎn)氣反應中的動力學。最近，Bashkatov及其同事實驗揭示了氣泡融合可以增強工作微電極的氣體去除并改善電化學性能，但其背后的動力學尚未詳細探索。

在這項工作中，我們研究了包含兩個微電極的水電解系統(tǒng)中的產(chǎn)氣反應。我們證明，如果每個微電極上的產(chǎn)氫氣泡分別發(fā)生，雙工作電極系統(tǒng)的電化學性能幾乎像兩個單工作電極系統(tǒng)一樣；然而，當兩個微電極上的產(chǎn)氫氣泡耦合時，電化學反應速率會顯著增加。因此，通過簡單地調(diào)整電極間距，即調(diào)整產(chǎn)氫氣泡的模式，雙工作電極系統(tǒng)的電化學性能可以有效地調(diào)節(jié)，在最佳的電極間距下，最大的改進為-120%在水分解反應速率上，與兩個單電極系統(tǒng)相比已經(jīng)取得了進展。據(jù)我們所知，這種現(xiàn)象以前從未被報道過。我們解決了氫氣泡生成的動力學并量化了相關(guān)的液壓流動，基于此，開發(fā)了理論模型來描述空間依賴的電化學反應性能。