(光) 电化学制氢中的气泡动力学及能质传输
(光)电化学制氢中的气泡动力学及能质传输,是围绕水分解制氢过程中气泡行为及其对反应效率影响开展的研究方向。其核心是研究氢气/氧气气泡在电极或光电极表面的成核、生长、聚并、脱附和迁移过程,并揭示这些气泡行为与电化学反应、物质传输、热量传递和能量转化之间的耦合关系。
在电化学或光电化学制氢过程中,气泡既是反应产物,也是影响系统性能的重要因素。气泡附着在电极表面时,会遮挡活性位点、阻碍离子和反应物传输、增加局部欧姆阻抗,并造成电流密度分布不均,从而降低制氢效率;而气泡脱附、聚并和运动又可能扰动液相边界层,增强局部传质。因此,气泡对制氢过程具有“双重作用”。
该方向重点关注气泡动力学与多场耦合机制。气泡的生长和脱附受到电流密度、气体生成速率、浓度梯度、表面张力、浮力、润湿性、电场力、热效应和流场扰动等因素共同影响。同时,气泡行为会进一步改变电极附近的浓度场、电场、温度场和流场,进而影响反应动力学和能量利用效率。
对于光电化学制氢体系,气泡问题更加复杂。气泡不仅会影响电极表面的传质和电化学反应,还可能遮挡入射光、改变局部光吸收和温度分布,从而影响光生载流子分离和界面反应效率。因此,该体系中的气泡动力学涉及“光传输—电荷传递—界面反应—气液两相流”的协同耦合。
总体而言,(光)电化学制氢中的气泡动力学及能质传输旨在揭示气泡行为对制氢性能的影响机制,并通过电极结构设计、表面润湿性调控、外加流场/热场/电场调控等方法促进气泡快速脱附和高效排出。该研究对于降低电解能耗、提高光电化学制氢效率、优化电极与反应器结构以及发展高效稳定的绿色制氢系统具有重要意义。

