北京化工大学严乙铭课题组Nano Letters：空间限域设计实现水电解槽内部气液流动的自管理

第一作者：吉英杰

通讯作者：严乙铭*，杨志宇*

单位：北京化工大学

水电解是实现大规模可持续氢气生产的关键技术。然而，传统的水电解槽结构显示出较低的工作效率，无法满足日益增长的全球能源需求。其中一个重要但较少关注的性能限制因素便是电解槽运行时气泡在电极表面的形成和积聚，这些气泡不仅会遮蔽活性位点，还会妨碍电解质的传输，严重影响了装置的实际运行效果。目前，常见的气泡去除策略包括主动和被动两大类。主动法是通过引入新的动力源，如泵送、离心力、超声波或磁场等，直接地促进气泡的脱离和电解液的循环。但这一类方案会增加额外的能量消耗和设备复杂性，相对的，被动式方法因其自发加速气泡释放，更适合当今分散式、小型化的应用潮流。不过，常用的被动式方案如润湿性调控或分级微纳结构设计等又会带来新的制备工艺和实际应用可靠性方面的挑战。因此，如何尽量基于现有的成熟装置组件，在不增加额外能耗和工艺复杂度的前提下，同样实现内部气液流动的自我管理，成为当前水电解槽设计的一大挑战。

北京化工大学严乙铭课题组致力于探索复合场诱导对电化学过程的增强作用，本文正是这一科学思想指导下的实践案例。对于水电解槽运行时所面临的气体积聚问题，我们选择从装置结构的角度提出了一种空间限域的设计方案，从而通过宏观外场的调控实现气液流动行为的自管理和聚集气泡的快速排出，在进一步紧凑装置体积的同时提高了运行时整体的电解性能。

图1直观显示了空间限域设计的性能增益。如下图a和b所示，随着电解室空间的压缩，图d中测得的装置整体电流密度却呈现上升的趋势。进一步的对照实验通过在上述宽槽内插入反应惰性的片层进行空间限制（图c），不同插层材料和亲疏水性的选择，却显示出同样的且类似于窄槽的高性能。这些有趣的结果暗示了一种不依赖材料特性的普适作用的存在，即仅通过对电解室几何空间的调整，我们就有实现装置内部气液流动自管理的可能。

通过结合粒子图像追踪和有限元模拟等手段，我们也对不同装置内部的气、液流动情况进行了更深入的探究。从下图b通过粒子图像追踪技术获得的实时电解过程的流场分布可以看出，经过空间压缩，气泡上浮引起的电解液流动更为合理，具体表现为遍及装置内部更广泛区域的环流和较少极值更为均匀的速度分布。进一步地，我们通过有限元模拟复现了这一流动现象并使用该模型继续计算了两设计在气体分布和气泡排出行为方面的特点（如下图d、e和f所示），可以看到，经过空间限域设计的装置内部气体积聚更低且气泡排出更快，佐证了空间限域效应对气液流动的直接调节作用，强化了几何结构-宏观外场（气液流场）-电化学反应之间的逻辑联系，表明了经过合理设计的空间结构完全可以自发地实现运行的调节。

本研究针对水电解槽运行所面临的气泡积聚问题，提出了一种新的空间结构视角的自调节设计思路。通过电化学、原位光学和有限元模拟等手段，我们系统证明了空间限域设计对整体装置性能的影响并分析了其作用机理。这些发现揭示了设备几何在优化内部流场以实现气泡自发快速排出中的关键作用，并提供了对多相电化学过程中气泡行为的深入理解。初步的参数优化表明，空间限域策略具有极大发展潜力，优化的气液传质可以最大限度地发挥电解槽的本征性能，并且自管理的特性也可以进一步减少相关设备的投入和维护成本，为水电解装置的设计提供了新的思路，并有望在其他气体参与的电化学系统（如燃料电池、二氧化碳还原、固氮）中得到进一步拓展。

“Spatial-Confinement-Driven Bubble Self-Management for Compact, High-Performance Water Electrolyzers”

严乙铭，北京化工大学教授、博导，国家高层次人才。主要从事新能源材料与技术研究，包括电化学催化、电化学储能、电化学水处理等。发表SCI论文160余篇，授权专利30余项。获北京市科学技术一等奖，国家自然科学二等奖。

杨志宇，北京化工大学副教授。北京理工大学博士学位，清华大学博士后。主要研究方向为 (i)电化学储能，(ii)电催化CO2还原，电催化甲酸氧化和电催化氮还原， (iii)电容除盐。已发表一作、通讯SCI论文100余篇，申请专利7项，授权5项。