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工業(yè)電化學(xué)工藝使用電極來(lái)生產(chǎn)燃料和化學(xué)產(chǎn)品，但上面形成的氣泡會(huì)使這一過(guò)程受到阻礙。這些氣泡會(huì)堵塞部分電極表面，從而減少活性反應(yīng)區(qū)域，據(jù)認(rèn)為可能使電極的性能降低10%-25%。
但是，新研究揭示了幾十年來(lái)人們對(duì)這種干擾程度的誤解。這些發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確地展示了阻塞效應(yīng)是如何起作用的，有望實(shí)現(xiàn)新的電極表面設(shè)計(jì)方法，以在廣泛使用的電化學(xué)過(guò)程中充分避免效率降低。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為，每個(gè)氣泡所遮蔽的電極區(qū)域完全被有效地抑制活性。但事實(shí)證明，只有很小區(qū)域(大約是氣泡實(shí)際接觸表面的區(qū)域)的電化學(xué)活性受到抑制。這一新見(jiàn)解可能有助于直接實(shí)現(xiàn)新的表面圖案化方法，以最大限度地減少接觸面積并提高整體效率。
據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院(MIT)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)基于人工智能(AI)的開(kāi)源軟件工具。現(xiàn)在，工程師們可以利用該工具來(lái)自動(dòng)識(shí)別和量化在給定表面上形成的氣泡，而這是控制電極材料特性的第一步。
析氣電極(Gas-evolving electrodes)往往通過(guò)催化表面來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，被廣泛用于各種工藝，包括綠色制氫(不使用化石燃料)、碳收集工藝(可以減少溫室氣體排放)、鋁生產(chǎn)，以及氯堿工藝(用于制造廣泛使用的化學(xué)產(chǎn)品)。這些工藝非常普遍。隨著全球致力于實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)，未來(lái)幾年碳收集和制氫工藝可能迅速發(fā)展?，F(xiàn)在，新發(fā)現(xiàn)可能帶來(lái)真正的改變。
MIT機(jī)械工程教授Kripa Varanasi表示：“這項(xiàng)工作表明，對(duì)電極上的氣泡接觸和生長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)氣泡形成和離開(kāi)表面的方式產(chǎn)生巨大影響。了解到氣泡下的區(qū)域可能非常活躍，這帶來(lái)了一套新的高性能電極設(shè)計(jì)規(guī)則，以避免氣泡產(chǎn)生有害影響。”
MIT研究生Simon Rufer表示：“以往文獻(xiàn)表明，不僅是小的接觸區(qū)域，而且氣泡下的整個(gè)區(qū)域都被鈍化了。”這項(xiàng)新研究揭示了“兩種模式之間的明顯差異，它改變了開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)電極的方式，以盡量減少這些損失”。
為了測(cè)試和證明這種效應(yīng)所產(chǎn)生的影響，該團(tuán)隊(duì)制作了不同版本的電極表面，這些電極表面具有點(diǎn)狀圖案，可以成核和捕獲不同尺寸和間距的氣泡。研究人員能夠證明，具有寬間距點(diǎn)狀團(tuán)的表面可以形成較大的氣泡，但表面接觸面積很小，這有助于確定氣泡覆蓋的預(yù)期影響和實(shí)際影響之間的差異。Rufer表示：“開(kāi)發(fā)用于檢測(cè)和量化氣泡形成的軟件對(duì)于團(tuán)隊(duì)分析來(lái)說(shuō)是必要的。 我們希望收集大量數(shù)據(jù)，觀察大量不同的電極、不同的反應(yīng)和不同的氣泡，它們看起來(lái)都有些不同。”創(chuàng)建一個(gè)程序以處理不同的材料和不同照明，并可靠地識(shí)別和跟蹤氣泡，這是一個(gè)棘手的過(guò)程，而機(jī)器學(xué)習(xí)是讓它發(fā)揮作用的關(guān)鍵。
使用這個(gè)工具，研究人員能夠收集“關(guān)于表面上氣泡的大量數(shù)據(jù)，它們?cè)谀睦?、有多大，以及生長(zhǎng)速度有多快，所有這些不同的東西。”現(xiàn)在，所有人都可以通過(guò)GitHub存儲(chǔ)庫(kù)免費(fèi)使用該工具。
通過(guò)使用該工具，將關(guān)于氣泡形成和演變的視覺(jué)測(cè)量與電極性能的電學(xué)測(cè)量聯(lián)系起來(lái)，研究人員有能力反駁公認(rèn)的理論，并表明只有直接接觸的區(qū)域受到影響。視頻進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)，揭示了新氣泡直接在大氣泡下面部分區(qū)域的積極演變。
研究人員開(kāi)發(fā)了一種非常通用的方法，可用于表征和了解氣泡對(duì)各種電極或催化劑表面的影響。他們能夠用一種新的性能指標(biāo)來(lái)量化氣泡鈍化效應(yīng)，這種指標(biāo)名為BECSA(氣泡誘導(dǎo)電化學(xué)活性表面)，而不是在現(xiàn)場(chǎng)使用的ECSA(電化學(xué)活性表面積)。Varanasi表示：“BECSA指標(biāo)是我們?cè)谠缙谘芯恐卸x的一個(gè)概念，但在這項(xiàng)工作之前沒(méi)有有效的評(píng)估方法。”
氣泡下方區(qū)域具有明顯的活躍性，這一事實(shí)帶來(lái)了一套新的高性能電極設(shè)計(jì)規(guī)則。這意味著電極設(shè)計(jì)者應(yīng)尋求充分減少氣泡接觸面積，而不僅僅是氣泡覆蓋面積，這可以通過(guò)控制電極的形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制氣泡的表面，不僅可以提高工藝的整體效率，從而減少能源使用，還可以節(jié)省前期材料成本。許多析氣電極都涂有由鉑或銥等貴金屬制成的催化劑，這項(xiàng)研究成果可用于設(shè)計(jì)電極，以減少因氣泡阻礙反應(yīng)而浪費(fèi)材料。
Varanasi表示，這項(xiàng)研究的見(jiàn)解有助于實(shí)現(xiàn)新的電極結(jié)構(gòu)，不僅可以減少使用昂貴的材料，還能夠提高電解器的整體性能，二者均將帶來(lái)大規(guī)模的環(huán)境效益。
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