2實驗方法

2.1. 水電解實驗裝置

水分解實驗在一個定制的透明電解池中進行，其中采用包含鉑工作/陰極電極、鉑對/陽極電極和參比甘汞電極的三電極配置，以消除由極化效應引起的電極電位誤差，如圖1(a)和圖S1所示。該水電解系統相應的工作電路如圖1(b)所示。陰極電極由兩個半徑為R的圓形微電極組成，如圖1(c)所示，其中心距d在2R到2000 μm之間變化。使用商用三維共聚焦顯微鏡測量這些鉑微電極的算術平均粗糙度為Ra ≈ 0.8 μm（圖S2）。在每次測試中，首先將50 mL的0.5 M硫酸水溶液（表面張力為72 mN/m）注入電解池，然后在工作和參比電極之間施加電勢E。研究了兩種電極工作模式——即單工作電極模式（即僅操作一個微電極）和雙工作電極模式（即同時操作兩個微電極）——它們的工作電路示意圖如圖1(d)所示。使用電化學工作站（CHI660E，CH Instruments Inc.，美國）以1000 Hz的數據采集頻率監測液體電路中產生的電信號；同時，通過高速相機（Phantom v2012，Vision Research Inc.，美國）以每秒1000幀的采集速率和10 μs的快門速度從側視圖記錄工作陰極微電極上的氫氣泡演變，其中使用LED光源（上海昭基電子科技有限公司）從透明電解池的背面照射工作微電極周圍的區域。成像系統的空間分辨率測定為2.76 μm/pixel。我們進一步通過倒置顯微鏡（Nikon DIAPHOT 300，日本）下的40倍物鏡使用高速相機觀察了氣泡成核和生長的早期動力學，提供了0.345 μm/pixel的空間分辨率。該測量中的光源是熒光燈，并采用綠光（波長為532 nm）進行照明。每個測試至少重復3次以確保其可重復性，數據以獨立測量的平均值±標準差表示。記錄的視頻使用自定義編程的Python代碼進行處理。更具體地說，獲取的彩色圖像首先轉換為灰度圖像，然后使用Sobel和Canny算子檢測氣泡層和大氣泡的邊緣，從而確定它們的特征參數（例如，氣泡層的體積和氣泡半徑）。

圖1. 實驗裝置示意圖。

(a) 實驗裝置整體示意圖。

(b) 水電解系統的電路圖。

(c) 雙電極布局。

(d) 單工作電極模式和雙工作電極模式示意圖。

2.2. 流體動力流可視化

我們設法使用粒子圖像測速技術可視化水分解反應過程中生長和聚結的氫氣泡周圍的流體動力流。使用半徑為1.5 μm的聚苯乙烯膠體球作為流體流動示蹤劑，其質量密度（~1040 kg/m3）與電解質水溶液（~1020 kg/m3）相當。選擇這些示蹤粒子是為了滿足PIV技術的一些經典操作規則：1) 接近流體密度以防止沉降；2) 大于1 μm以避免布朗運動和光衍射的影響；3) 占據2-3個像素以便在光學圖像中更好地識別。這些PS粒子均勻分散在電解質水溶液中，其重量濃度為0.1 wt%。使用LED光源（上海昭基電子科技有限公司，40 W LED）從透明電解池的背面照射工作微電極周圍的區域，而配備長距離顯微鏡頭的Phantom高速相機同軸放置在前方，以每秒1000幀的錄制速率和10 μs的快門速度捕獲示蹤粒子的運動。獲取的單曝光圖像（空間分辨率為2.76 μm/pixel）使用Python進行分析，其中采用互相關算法來識別示蹤粒子的運動從而建立流場。

3.結論

總之，我們通過實驗揭示了雙工作電極水電解系統中電化學反應性能對電極間距的強依賴性。研究發現，在水分解反應過程中，流經雙工作電極的陰極電流會隨著電極間距的擴大先增大后減??；最大電流及其對應的電極間距都隨著電位的增加或電極尺寸的減小而增加，并且實現了與流經兩個單工作電極的電流相比高達約120%的最大電流增量。這些發現可歸因于雙工作電極對氫氣泡動力學的空間效應：調節個體化和耦合氫氣泡演變的持續時間，這會產生不同的流體動力流并控制氣體層中氣泡聚結事件的發生，決定了整體電化學反應效率。盡管我們目前缺乏詳細的理論來合理化這些發現，但我們在標度論證的層面上提供了適當的解釋，并且建立的流體動力-電化學機制可能為進一步的研究提供線索。我們的工作還提出了一種構建高效、低功耗電解槽的新策略——通過優化微電極或成核位點陣列（例如PEM電解槽）的空間分布，這不僅可以提高電解槽的整體效率，還可以降低催化劑的使用成本。此外，考慮到化學反應中產氣的普遍性，我們的結果也可能在廣泛的能源或制造工業中找到應用。