MIT分析多孔电极上的气泡形成过程 提高水分解制氢效率

盖世汽车讯 利用电力将水分解为氢气和氧气，是生产清洁氢燃料的有效方法。随着水分解技术的发展，通常使用多孔电极材料，为电化学反应提供更大的表面积。然而，在反应过程中，所产生的气泡可能堵塞反应表面，使生产效率受到限制。

（图片来源：MIT）

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）首次分析和量化多孔电极上的气泡产生过程。研究人员发现，有三种不同的方式，可使电极表面形成和释放气泡。通过调整电极成分和表面处理方法，可以对其进行精确控制。

因为液体介质中不断反应产生气体，所以会形成气泡，暂时阻塞活性电极表面。Iwata表示：“控制气泡是实现高系统性能的关键。”然而，以往对用于此类系统的多孔电极的研究很少。研究小组确定了气泡形成和释放的三种不同方式。其中一种称为内部形成和释放，相对于电极孔径，气泡很小。在这种情况下，气泡可以自由漂离，使表面保持相对清洁，从而促进反应过程。在另一种方式中，气泡比孔径大，往往会被卡住并发生堵塞，从而显著抑制反应。第三种中间方式称为芯吸过程，气泡为中等大小，会发生部分堵塞，但仍能通过毛细作用渗出来。

研究小组发现，多孔表面的可润湿性，是决定发生哪种状态的关键变量。这一变量决定了水是均匀地分布在表面上，还是形成水滴。通过调整表面涂层，可以对其进行控制。该团队使用了一种名为聚四氟乙烯（PTFE）的聚合物。在电极表面溅射的聚四氟乙烯越多，表面就越具有疏水性，不易被较大的气泡堵塞。

通过微调表面涂层覆盖率，可以使润湿性发生微小的变化，但能极大地改变系统性能。研究人员表示，通过这一发现，“我们增加了一个新设计参数，即气泡释放直径（气泡从表面分离前达到的尺寸）与孔径之比。这是衡量多孔电极有效性的新指标。”

研究人员表示，可以通过多孔电极制作方式来控制孔径，并添加涂层来精确控制可润湿性。“通过控制这两种效应，将来我们可以精确地控制设计参数，以确保多孔介质在最佳条件下运行。”这将为材料设计者提供一套参数，帮助选择化合物、制造方法和表面处理或涂层，为特定应用提供最佳性能。

该团队表示，本次研究重点探讨水分解过程，但相关结果几乎可用于所有析气电化学反应，包括用于电化学转化捕获二氧化碳的反应，例如发电厂排放的二氧化碳。

麻省理工学院机械工程副教授Gallan表示：“真正令人兴奋的是，随着水分解技术的不断发展，该领域的关注点从催化剂材料设计扩展至质量输运管理，这项技术有望实现规模化。”