压电执行器与电极结构在碱性水电解中的协同效应

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Synergistic effects of piezoelectric actuators and electrode architecture in alkaline water electrolysis

碱性水电解制氢中，通过结合超声激励（20-60kHz及11.059MHz）与镍泡沫电极表面改性（硅藻土-环氧树脂涂层、碳纳米管涂层及2mm未涂层电极），研究揭示了电极结构、超声频率与表面工程的协同效应。结果表明，60kHz超声显著降低过电位（4.10mV）并提升效率（0.91%），而2mm厚镍泡沫电极在静默状态下效率最高（1.90%）。表面改性中，碳纳米管涂层静默效率最优（1.10%），但超声导致部分脱落（过电位+7.43mV）；硅藻土涂层初始效率较低（-2.56%），但超声破碎涂层后效率提升2.56%。研究证实，超声通过增强气泡脱离和电解质传输优化电极-电解液界面，而电极厚度影响超声渗透深度。该成果为低成本高效电解水制氢提供了新策略。

　　在当前全球能源转型的背景下，绿色氢能作为低碳能源的重要组成部分，正受到越来越多的关注。碱性水电解（AWE）因其技术成熟度和可扩展性，被视为一种有前景的绿色氢气生产方法。然而，传统AWE系统在实际应用中面临诸多挑战，其中电极效率低下、高能耗以及气体生成效率不足是主要瓶颈。这些问题限制了AWE在大规模应用中的经济性和可行性。为了解决这些限制，研究者们正积极探索通过电极表面工程和声学激励等手段提升AWE性能。本研究通过结合声学激励和表面改性的镍泡沫电极，对实验室规模的AWE系统进行了系统性评估，以期为绿色氢能的高效生产提供新的思路。

镍泡沫电极因其高比表面积、良好的导电性和结构可调性，成为碱性水电解领域的热门材料。然而，其性能仍受到气泡积累和电极-电解液界面质量传输效率低等因素的制约。为改善这些问题，研究者们尝试通过多种表面改性技术对镍泡沫进行优化。本研究中，采用三种不同的表面改性策略：一是使用硅烷化硅藻土-环氧树脂复合涂层；二是通过火焰合成方法沉积多壁碳纳米管（MWCNTs）；三是采用不同厚度的镍泡沫电极（1 mm和2 mm）。这些改性方法旨在提升电极的表面性质，从而改善氢气析出反应（HER）的效率和稳定性。

其中，硅藻土-环氧树脂涂层在初始阶段对电极的孔隙结构产生了一定的阻隔作用，导致电解液渗透受限，从而降低了HER效率。然而，当引入声学激励后，这种涂层的机械破坏作用反而促进了电解液的渗透和气体的释放，使得电极性能得到了提升。相比之下，碳纳米管涂层在未施加声学激励的情况下表现优异，其高表面活性和良好的导电性显著提高了HER效率。然而，在声学激励条件下，由于声空化作用对纳米管结构的破坏，导致涂层部分脱落，从而降低了电极的性能。这表明，虽然碳纳米管具有优越的电化学特性，但在声学激励的环境下，其稳定性仍需进一步优化。

2 mm厚的镍泡沫电极在未施加声学激励的情况下，展现出优于1 mm厚电极的综合性能。其更高的孔隙率和更大的表面积有助于提升质量传输效率和气体释放能力。尽管在某些频率下声学激励对电极性能有所改善，但高电流密度条件下，声学效果可能受到气泡合并和湍流等因素的干扰，导致声学激励的积极作用被削弱。因此，电极厚度和声学激励的频率选择需根据具体应用场景进行优化。

本研究的实验装置采用了一种定制的零间隙碱性电解槽，结合了压电换能器和直接可视化技术，以便更全面地评估电极表面改性和声学激励对电解过程的影响。实验中使用的30%（w/w）氢氧化钾（KOH）电解液被证明是提升电解效率的优选材料，其高离子导电性和化学稳定性为电化学反应提供了良好的环境。同时，通过调节声学激励的频率（20 kHz、40 kHz、60 kHz和11.059 MHz），研究人员观察到不同频率对电解效率的影响差异显著。其中，60 kHz频率在多个电极类型中表现出最一致的提升效果，既减少了过电位，又提高了整体效率。这一频率可能与镍泡沫或金属耦合系统的机械共振有关，从而增强了声学能量的传递和电化学活性。

此外，实验中还采用了多种分析手段，包括极化曲线、效率曲线、扫描电子显微镜（SEM）和润湿性测试，以全面评估电极的性能变化。SEM图像显示，经过声学激励后，硅藻土-环氧树脂涂层发生了结构性变化，部分区域出现断裂，这表明声学激励可以作为一种手段，促使涂层的动态变化，从而释放更多的活性位点。相比之下，碳纳米管涂层在声学激励下出现了更明显的脱落现象，导致电极的导电性和表面活性下降。这表明，尽管碳纳米管在无声学激励时具有优势，但在声学激励环境下，其稳定性仍需进一步加强。

从实验结果来看，声学激励和电极表面工程的结合展现出一定的潜力。然而，这种结合也存在一些挑战，尤其是在电极涂层的耐久性和声学能量的高效传递方面。例如，60 kHz频率虽然在多个电极类型中表现出色，但其对不同涂层的适应性仍有待进一步研究。同时，高频率（如11.059 MHz）虽然能够减少对电极的机械损伤，但其对电解效率的提升效果相对有限，这可能与声学换能器的能量输出和电解液的响应特性有关。

本研究的发现对于未来绿色氢能的生产具有重要意义。首先，它表明声学激励可以在一定程度上改善电极的性能，尤其是在处理某些类型的表面涂层时。其次，2 mm厚的镍泡沫电极在未施加声学激励的情况下已经表现出较高的效率，这为后续的电极设计和优化提供了参考。此外，碳纳米管涂层虽然在无声学激励时具有优势，但在声学激励环境下需要更多的关注和改进，以确保其在实际应用中的稳定性。

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。例如，实验主要在实验室条件下进行，尚未充分考虑工业环境中的复杂因素，如电解液的循环利用、热管理以及大规模生产的可行性。此外，关于声学激励与电极表面改性的相互作用机制，仍需更深入的理论分析和实验验证。未来的研究可以进一步探索不同频率和声学耦合方式对电极性能的影响，同时开发更稳定的表面改性技术，以提高电极在长期运行中的耐久性。

总体而言，本研究为碱性水电解技术的优化提供了新的视角和实验数据。通过结合声学激励和表面改性，研究人员发现了一种可能提升氢气析出效率的途径。然而，这种技术的推广仍需解决涂层稳定性、声学能量的高效传递以及实际工业应用中的适应性等问题。随着绿色氢能需求的不断增长，进一步优化这些技术将是推动其商业化应用的关键。