上海高研院在碱性电解多场协同过程强化研究方面取得重要进展

近日，中国科学院上海高等研究院唐志永研究员和赵陆海波副研究员所带领的工程科学团队，在碱性电解制氢多场协同过程强化研究中取得重要进展，研究成果以“Enhanced production of hydrogen from alkaline electrolysis by microbubbles removal on bionic electrode”为题发表在工程技术二区top期刊Physics of Fluids。论文第一作者为我院职工彭词，通讯作者为唐志永研究员与赵陆海波副研究员。

可再生能源电解水制氢作为众多产氢路径中碳排放最低的工艺，可有效推动碳达峰与碳中和目标。目前，碱性电解为最成熟的电解技术，占据绿氢生产主导地位，可将可再生能源整合至终端，助力各行业实现深度脱碳。作为碱性电解水制氢的关键步骤，电催化析氢反应过电位大、能耗高，其主要的工程科学问题之一是电极板电子传输产生的电压降及电极板生成气泡覆盖在其表面不能及时脱离而增加电解电位的问题。因此，开发一种具有电场和流场协同效应的高效析氢氧气泡电极对满足日益增长的绿氢需求具有重要意义。

在此背景下，研究团队建立了电解制氢过程（流场、电场和反应）多场耦合的数值仿真模型，基于此提出了仿生分形结构的电极板设计，模拟结果显示Murray定律树形电极板电压降最小，流场最均匀，在相同的时间内产气量提高了50%，电化学LSV（线性扫描伏安法）测试结果表明该电极板活化电位降低了10%。多相流可视化测试表明Murray定律树形电极析氢微气泡平均尺寸最小，其界面附着力较小进一步加速了气泡脱离效率，验证了场协同效应下微气泡析出过程强化有助于提升析氢性能。

该研究工作成功开发了一种基于多物理场仿真和可视化测试的碱性电解制氢场协同强化的电极设计方法，为研发高效析氢的仿生碱性电解制氢多相过程强化技术提供了新路径，将提升碱性电解制氢能量转化效率，推动大规模电解水制氢工业化过程，并且可作为一种普适的方法实现电化学多相反应过程强化。

该工作获得了科技部重点研发计划和中科院STS计划。


图. 1 仿生电极板结构设计及制备


图2. （左）多物理场耦合模拟产氢浓度；（右）电化学实验LSV曲线。


图3.析氢微气泡可视化测试