近日，中國科學院上海高等研究院唐志永研究員和趙陸海波副研究員所帶領的工程科學團隊，在堿性電解制氫多場協同過程強化研究中取得重要進展，研究成果以“Enhanced production of hydrogen from alkaline electrolysis by microbubbles removal on bionic electrode”為題發(fā)表在工程技術二區(qū)top期刊Physics of Fluids。論文第一作者為我院職工彭詞，通訊作者為唐志永研究員與趙陸海波副研究員。

可再生能源電解水制氫作為眾多產氫路徑中碳排放最低的工藝，可有效推動碳達峰與碳中和目標。目前，堿性電解為最成熟的電解技術，占據綠氫生產主導地位，可將可再生能源整合至終端，助力各行業(yè)實現深度脫碳。作為堿性電解水制氫的關鍵步驟，電催化析氫反應過電位大、能耗高，其主要的工程科學問題之一是電極板電子傳輸產生的電壓降及電極板生成氣泡覆蓋在其表面不能及時脫離而增加電解電位的問題。因此，開發(fā)一種具有電場和流場協同效應的高效析氫氧氣泡電極對滿足日益增長的綠氫需求具有重要意義。

在此背景下，研究團隊建立了電解制氫過程（流場、電場和反應）多場耦合的數值仿真模型，基于此提出了仿生分形結構的電極板設計，模擬結果顯示Murray定律樹形電極板電壓降最小，流場最均勻，在相同的時間內產氣量提高了50%，電化學LSV（線性掃描伏安法）測試結果表明該電極板活化電位降低了10%。多相流可視化測試表明Murray定律樹形電極析氫微氣泡平均尺寸最小，其界面附著力較小進一步加速了氣泡脫離效率，驗證了場協同效應下微氣泡析出過程強化有助于提升析氫性能。

該研究工作成功開發(fā)了一種基于多物理場仿真和可視化測試的堿性電解制氫場協同強化的電極設計方法，為研發(fā)高效析氫的仿生堿性電解制氫多相過程強化技術提供了新路徑，將提升堿性電解制氫能量轉化效率，推動大規(guī)模電解水制氫工業(yè)化過程，并且可作為一種普適的方法實現電化學多相反應過程強化。

該工作獲得了科技部重點研發(fā)計劃和中科院STS計劃。

文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0135547 

圖. 1 仿生電極板結構設計及制備

圖2. （左）多物理場耦合模擬產氫濃度；（右）電化學實驗LSV曲線。

圖3.析氫微氣泡可視化測試