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利用電力將水分解為氫氣和氧氣，是生產(chǎn)清潔氫燃料的有效方法。隨著水分解技術(shù)的發(fā)展，通常使用多孔電極材料，為電化學(xué)反應(yīng)提供更大的表面積。然而，在反應(yīng)過(guò)程中，所產(chǎn)生的氣泡可能堵塞反應(yīng)表面，使生產(chǎn)效率受到限制。
圖片來(lái)源：MIT
據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）首次分析和量化多孔電極上的氣泡產(chǎn)生過(guò)程。研究人員發(fā)現(xiàn)有三種不同的方法可使電極表面形成和釋放氣泡。通過(guò)調(diào)整電極成分和表面處理方法，可以對(duì)其進(jìn)行精確控制。
由于多空電極在液體介質(zhì)中不斷反應(yīng)產(chǎn)生氣體，所以產(chǎn)生的氣泡會(huì)暫時(shí)阻塞活性電極表面。Iwata表示：“控制氣泡是實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。”然而，以往對(duì)用于此類系統(tǒng)的多孔電極的研究很少。研究小組確定了三種不同的氣泡形成和釋放的方式。其中一種被稱作內(nèi)部形成和釋放，其產(chǎn)生的氣泡直徑相對(duì)于電極孔徑更小。在這種情況下，氣泡可以自由漂浮，使電極表面保持相對(duì)清潔，從而促進(jìn)反應(yīng)過(guò)程。在另一種方式中，反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡比電極孔徑大，會(huì)被卡住，電極孔徑發(fā)生堵塞，從而顯著抑制反應(yīng)。第三種中間方式稱為芯吸過(guò)程，產(chǎn)生的氣泡中等大小，電極孔徑會(huì)發(fā)生部分堵塞，但仍能通過(guò)毛細(xì)作用滲出來(lái)。
研究小組發(fā)現(xiàn)，多孔表面的可潤(rùn)濕性，是決定發(fā)生哪種狀態(tài)的關(guān)鍵變量。這一變量決定了水是均勻地分布在表面上，還是形成水滴。通過(guò)調(diào)整表面涂層，可以對(duì)其進(jìn)行控制。該團(tuán)隊(duì)使用了一種名為聚四氟乙烯（PTFE）的聚合物。在電極表面濺射的聚四氟乙烯越多，表面就越具有疏水性，不易被較大的氣泡堵塞。
通過(guò)微調(diào)表面涂層覆蓋率，可以使?jié)櫇裥园l(fā)生微小的變化，但能極大地改變系統(tǒng)性能。研究人員表示，通過(guò)這一發(fā)現(xiàn)，“我們?cè)黾恿艘粋€(gè)新設(shè)計(jì)參數(shù)，即氣泡釋放直徑（氣泡從表面分離前達(dá)到的尺寸）與孔徑之比。這是衡量多孔電極有效性的新指標(biāo)。”
研究人員表示，可以通過(guò)多孔電極制作方式來(lái)控制孔徑，并添加涂層來(lái)精確控制可潤(rùn)濕性。“通過(guò)控制這兩種效應(yīng)，將來(lái)我們可以精確地控制設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保多孔介質(zhì)在最佳條件下運(yùn)行。”這將為材料設(shè)計(jì)者提供一套參數(shù)，幫助選擇化合物、制造方法和表面處理或涂層，為特定應(yīng)用提供最佳性能。
該團(tuán)隊(duì)表示，本次研究重點(diǎn)探討水分解過(guò)程，但相關(guān)結(jié)果幾乎可用于所有析氣電化學(xué)反應(yīng)，包括用于電化學(xué)轉(zhuǎn)化捕獲二氧化碳的反應(yīng)，例如發(fā)電廠排放的二氧化碳。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Gallan表示：“真正令人興奮的是，隨著水分解技術(shù)的不斷發(fā)展，該領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)從催化劑材料設(shè)計(jì)擴(kuò)展至質(zhì)量輸運(yùn)管理，這項(xiàng)技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。”
