文章題目：Strategies for bubble removal in electrochemical systems

關(guān)鍵詞：Active strategy,?Bubble removal,?Electrochemical system,?Passive strategy,?Superhydrophilic surface

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000020

????近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬教授課題組在Energy Reviews發(fā)表文章“Strategies for bubble removal in electrochemical systems”,?本文章全面分析了電化學(xué)系統(tǒng)中氣泡的演變機(jī)制和由此產(chǎn)生的過(guò)電位機(jī)理和模型，從被動(dòng)和主動(dòng)策略的角度強(qiáng)調(diào)了高效排出氣泡的最新進(jìn)展。其中被動(dòng)策略作用于電極結(jié)構(gòu)和表面潤(rùn)濕性以及電解質(zhì)物化特性；主動(dòng)策略借助于外場(chǎng)，例如使用流動(dòng)電解質(zhì)、聲場(chǎng)、磁力和光熱效應(yīng)等引導(dǎo)氣泡遠(yuǎn)離反應(yīng)場(chǎng)所。

01內(nèi)容簡(jiǎn)介

????1. Introduction?(前言)

????2. Fundamentals（理論基礎(chǔ)）

????????2.1 Bubble evolution process（氣泡析出過(guò)程）

????????2.2 Bubble effects on the electrochemical reaction and the induced overpotential（氣泡對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的影響極其對(duì)應(yīng)的過(guò)電位）

????????2.3 Category of bubble removal strategies（排出氣泡的策略分類(lèi)）

????3. Passive strategies for bubble removal（被動(dòng)式排出氣泡策略）

????????3.1 Superhydrophilic surfaces for fast bubble detachment（超親水表面）

????????????3.1.1 Nanosheet structure（納米片結(jié)構(gòu)）?

????????????3.1.2 Nanocone structure（納米錐結(jié)構(gòu)）

????????????3.1.3 Other nanostructures（其他納米結(jié)構(gòu)）

????????3.2 Breathable electrodes（呼吸式電極）

????????3.3 Sacrifice sites（犧牲位點(diǎn)法）

????????3.4 Surfactant modification（表面活性劑改性）??

????????3.5. Limitation of passive strategies（被動(dòng)式策略的缺點(diǎn)）

????4. Active strategies for bubble removal（主動(dòng)式排出氣泡策略）??

????????4.1 Flow fields（流動(dòng)電解液）

????????4.2 Acoustic fields（聲場(chǎng)）

????????4.3 Magnetic fields（磁場(chǎng)）

????????4.4 Photothermal fields（光熱場(chǎng)）

????????4.5 Limitations of active strategies（主動(dòng)式策略的缺點(diǎn)）

????5. Summary and outlooks（總結(jié)和展望）

02內(nèi)容亮點(diǎn)

1、當(dāng)氣泡在電化學(xué)反應(yīng)中劇烈演化時(shí)，活性中心和離子傳導(dǎo)路徑的阻塞會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的能量損失；

2、隨著新理論、新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，本文分析了近年來(lái)在促進(jìn)電化學(xué)體系中氣泡去除方面的研究進(jìn)展；

3、本文從被動(dòng)策略和主動(dòng)策略兩個(gè)角度介紹了緩解泡沫問(wèn)題的最新進(jìn)展：被動(dòng)策略影響電極的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、表面潤(rùn)濕性和電解液性質(zhì)；主動(dòng)策略使用外場(chǎng)，包括流動(dòng)的電解液、聲場(chǎng)、磁力和光熱效應(yīng)，以引導(dǎo)氣泡離開(kāi)反應(yīng)部位，以達(dá)到高反應(yīng)速率，而需要外部能量；

4、本文最后給出了這兩種策略的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)高性能放氣電化學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行展望。

03內(nèi)容導(dǎo)讀

????可再生能源的發(fā)展促進(jìn)了電化學(xué)工業(yè)的成熟，然而大多數(shù)反應(yīng)過(guò)程伴隨著析氣反應(yīng)，如電解水制氫、氯堿生產(chǎn)、直接甲醇燃料電池等。快速的析氣反應(yīng)導(dǎo)致氣泡的生成，從而導(dǎo)致電極上反應(yīng)活性位點(diǎn)和離子傳導(dǎo)通道的失效，最終引起嚴(yán)重的能量損失。目前已取得的去除氣泡策略的進(jìn)展亟需詳細(xì)的總結(jié)以指導(dǎo)實(shí)際電化學(xué)工業(yè)過(guò)程。

????電極中氣泡的完整生命周期可為成核、生長(zhǎng)（可能的融合）、脫離三個(gè)過(guò)程。氣泡對(duì)電極表面的附著、占據(jù)電解液中的離子傳輸通道以及脫離等過(guò)程引起的對(duì)流，會(huì)產(chǎn)生較大的活化、歐姆以及濃差過(guò)電位。目前已有大量的工作，尤其是在電解水制氫場(chǎng)景中，基于氣泡原位觀測(cè)、物化特性表征、微電極單氣泡構(gòu)建以及動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)等角度的機(jī)理研究來(lái)完善這一電化學(xué)系統(tǒng)耦合多相流的復(fù)雜問(wèn)題。

????除此之外，大量的工作投入到高效排出電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中氣泡析出的策略研究中。目前使用最廣泛的方法是構(gòu)建超親水的電極表面。這是一種被動(dòng)式的方法，即無(wú)需外場(chǎng)的作用，基于已有的電化學(xué)系統(tǒng)本體實(shí)現(xiàn)抑制氣泡的目的。在這種超親水表面，氣泡無(wú)法附著，成核后生長(zhǎng)至特別小的尺寸即會(huì)從電極表面脫離，從而減少對(duì)電極反應(yīng)的影響。目前主要是通過(guò)構(gòu)建納米片、納米錐、納米花、納米纖維等密集納米結(jié)構(gòu)，在電解水制氫、氯堿生產(chǎn)、光解水等領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的應(yīng)用。

????另一種被動(dòng)策略是通過(guò)將表面活性劑添加至電解液中，使得氣泡以特別小的尺寸脫離，常見(jiàn)的有十二烷基硫酸鈉、十二烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基溴化銨和Triton X-100等添加劑。除此之外，還有通過(guò)將氣泡的發(fā)生場(chǎng)所轉(zhuǎn)移至一塊特定位置的“犧牲位點(diǎn)”法以及“可呼吸”式電極排出氣體避免氣泡成核的策略。

????需要注意的是，上述被動(dòng)式策略主要適用于中等電流或者小電流下。對(duì)于較高電流，當(dāng)氣體析出速率超過(guò)所采用策略的極限時(shí)，氣泡將不可避免地劇烈影響電極反應(yīng)。

????主動(dòng)策略是通過(guò)引入外力主動(dòng)排出氣泡的方法，因此隨著外加場(chǎng)強(qiáng)的提高可適用于包括大電流下等各種應(yīng)用場(chǎng)景。這其中流動(dòng)電解液和超聲波策略因?yàn)槌墒烨矣行艿綇V泛關(guān)注。流動(dòng)電解液通過(guò)外加流場(chǎng)的剪切力將附著于電極表面的氣泡以很小的尺寸脫離。超聲波策略則通過(guò)振動(dòng)的方式讓氣泡“失穩(wěn)”從而提前脫離。此外，還有磁場(chǎng)借助于洛倫茲力和光熱場(chǎng)通過(guò)熱量改變電極物化特性的主動(dòng)方法，但其實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究和完善。

04重要結(jié)論

????本文描述了電化學(xué)系統(tǒng)中高效排出氣泡的被動(dòng)式和主動(dòng)式策略，其中被動(dòng)式基于已有系統(tǒng)本體可在中等或者較小的反應(yīng)速率下改善氣泡問(wèn)題，而主動(dòng)式基于外場(chǎng)施加強(qiáng)制去除氣泡的動(dòng)力適用于大電流快速反應(yīng)的場(chǎng)景。被動(dòng)式無(wú)需額外附件，主動(dòng)式高效易于調(diào)控。因此，實(shí)際使用中兩種策略相輔相成。

????1、被動(dòng)策略

????對(duì)于被動(dòng)策略，最廣泛使用和有效的超親水表面僅限于構(gòu)建高催化活性的納米結(jié)構(gòu)，因此，未來(lái)的研究應(yīng)著眼于設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單和低成本合成方法的高活性納米結(jié)構(gòu)，例如具有簡(jiǎn)易制備工藝的元素?fù)诫s的催化劑納米片。當(dāng)反應(yīng)速率不是很高時(shí)，“可呼吸”的電極策略可直接引導(dǎo)氣體離開(kāi)電化學(xué)系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。犧牲位點(diǎn)策略已經(jīng)顯示出對(duì)操縱氣泡析出場(chǎng)所的實(shí)驗(yàn)室效果；然而，在大規(guī)?；蚬I(yè)規(guī)模上的應(yīng)用還沒(méi)有被報(bào)道。未來(lái)的工作可以集中于研究于電極上構(gòu)建對(duì)電化學(xué)反應(yīng)沒(méi)有影響的合適犧牲位點(diǎn)。對(duì)于表面活性劑策略，在廣泛使用之前，其參與電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)制需要進(jìn)一步的表征予以揭示。

????2、主動(dòng)策略

????對(duì)于主動(dòng)策略，流場(chǎng)和聲場(chǎng)在大電流析氣電化學(xué)反應(yīng)中已經(jīng)顯示了明顯的效果。然而，流場(chǎng)策略所消耗的泵功需要考慮去除氣泡所節(jié)省的能量，以獲得最佳的流場(chǎng)參數(shù)。同時(shí)，由于強(qiáng)烈的流動(dòng)沖刷和超聲振動(dòng)，應(yīng)研究有效的方法來(lái)減輕流場(chǎng)和聲場(chǎng)內(nèi)電極活性物質(zhì)的脫落。對(duì)于磁場(chǎng)和光熱場(chǎng)，其機(jī)制需要進(jìn)一步揭示，應(yīng)用模式也需要優(yōu)化，以提高效率和降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

????3、未來(lái)展望

????伴隨氣體析出的電化學(xué)反應(yīng)具有極其廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其處于目前的可再生能源時(shí)代。本文綜述的被動(dòng)和主動(dòng)策略有助于啟發(fā)電化學(xué)系統(tǒng)中高效的氣泡去除策略，助力高性能水系儲(chǔ)能電池及工業(yè)化學(xué)品的生產(chǎn)。

通訊作者簡(jiǎn)介：

????談鵬，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 熱科學(xué)和能源工程系特聘教授，研究圍繞電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有共性的多場(chǎng)耦合能質(zhì)傳輸問(wèn)題，包括多場(chǎng)耦合傳輸機(jī)理探究、理論模型構(gòu)建和調(diào)控機(jī)制研究等，入選中國(guó)科學(xué)院、安徽省和國(guó)家人才計(jì)劃青年項(xiàng)目。近年來(lái)，主持科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金和企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇，引用4600余次；授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利10項(xiàng)。

引用信息：

Yi He,Yifan Cui, Zhongxi Zhao, Yongtang Chen, Wenxu Shang, Peng Tan, ”Strategies for bubble removal in electrochemical systems”,?Energy Reviews,?2,?2023, 100015.

Energy Reviews?

簡(jiǎn)介

????《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團(tuán)創(chuàng)辦的一本國(guó)際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開(kāi)放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國(guó)工程院Derek Elsworth院士、中國(guó)科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)、權(quán)威觀點(diǎn)等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺(tái)，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲(chǔ)能先進(jìn)技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

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