用于量化碱性水电解槽中气泡演变的扫描声学显微镜技术

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Scanning acoustic microscopy for quantifying bubble evolution in alkaline water electrolyzers

氢气泡分布的体积扫描声学显微镜（SAM）成像方法及其在碱性水电解槽中的应用研究。通过高频率聚焦超声束，SAM实现了微米级空间分辨率的气泡分布三维成像，突破了传统光学成像在致密多孔电极中的限制。该方法通过声阻抗差异有效区分气体、液体和金属电极，结合数字图像处理技术定量分析气泡体积分数及空间演变规律。研究对比了SAM与传统同步辐射X射线和中子CT的成像性能，揭示了SAM在复杂电极结构中的独特优势：无需透明材料限制、成像深度与电极厚度匹配、设备成本较低。实验表明，在80 mA/cm2电流密度下，镍编织电极和泡沫电极的气泡体积分数与电极电位呈现显著相关性，气泡在电极边缘优先形成后向中心扩散，证实了非均匀电流密度分布对气泡动力学的影响。研究为未来电解水制氢系统的电极优化提供了新方法，并指出通过多探头阵列和计算声学成像可进一步提升时空分辨率。

　　本研究旨在通过体积扫描声学显微镜（SAM）技术，对碱性水电解系统中多孔镍电极内的氢气泡分布进行高精度的定量分析。随着绿色氢能生产需求的增加，优化电化学设备的性能成为一项关键任务。然而，现有的高分辨率测量技术在实时成像方面仍存在一定的局限性。SAM作为一种非破坏性成像工具，因其高空间分辨率和对气体与液体的高对比度特性，展现出在电化学系统中研究气泡动态的巨大潜力。通过SAM技术，研究者能够对电极内部复杂的三维结构进行清晰的成像，并借助数字图像处理方法对气泡的分布和体积进行量化分析。这项研究不仅验证了SAM在碱性水电解系统中的可行性，还为未来的电极设计和气泡动力学优化奠定了方法论基础。

在实验中，研究团队使用了两种典型的多孔镍电极材料：激光纹理化的镍网（LNM）和激光纹理化的开孔镍泡沫（LNF）。这些材料的结构特点使其成为研究电化学气泡行为的理想对象。为了实现高分辨率的成像，研究团队设计了一种定制的碱性水电解装置，并采用高频率聚焦超声波技术，确保在实验条件下能够获取具有足够分辨率的体积图像。实验过程中，电极被浸入Milli-Q去离子水中，以保证超声波的有效耦合，同时避免电解液对成像过程的干扰。

SAM成像技术的工作原理基于超声波在不同材料界面的反射和散射特性。在实验中，超声波发射器发射短脉冲，当这些脉冲遇到气泡与电解液之间的界面时，会产生较强的回波信号。这种信号的强度取决于材料的声阻抗差异，而镍网和镍泡沫的高声阻抗与气泡的低声阻抗之间的强烈对比，使得气泡在SAM图像中可以被清晰地识别和量化。为了进一步提高成像质量，研究团队采用了中位数滤波技术来减少图像中的噪声，并通过设定全局阈值的方法，对气泡区域进行分割和识别。这一方法在镍网电极中表现良好，因为其规则的结构使得回波信号在空间上保持一致，从而方便了气泡的区分。

然而，在开孔镍泡沫电极中，由于其复杂的三维结构，气泡的回波信号与泡沫结构的回波信号存在重叠，这使得全局阈值分割方法无法准确区分气泡和泡沫结构。为此，研究团队开发了一种基于差分图像减法的分割策略。该方法首先获取电解反应前的泡沫电极图像作为基准，然后在电解反应后再次获取图像，并通过图像减法去除泡沫结构的信号，从而仅保留与气泡相关的回波变化。这种方法能够有效量化气泡的体积，并揭示其在电极内部的分布规律。通过这一策略，研究团队能够分析气泡在不同时间点的演化过程，并将其与电极电势的变化联系起来，以评估气泡对电化学性能的影响。

实验结果表明，在镍网电极中，氢气泡主要集中在电极边缘和线交叉处，而随着电解反应的进行，气泡逐渐向电极中心扩散。这种分布的不均匀性可能与电极表面的微观结构和局部电流密度有关。相比之下，开孔镍泡沫电极中的气泡分布则表现出更大的空间异质性。初始阶段，气泡主要出现在电极边缘的孔隙中，而随着电解时间的延长，气泡开始在电极中心区域聚集。这种现象可能与泡沫结构的孔隙分布和气泡在孔隙中形成后的滞留有关。通过定量分析，研究团队发现气泡的体积和电极电势的变化之间存在显著的正相关关系，这表明气泡的积累会导致电势的上升，进而影响电解效率。

SAM技术在电化学气泡研究中的优势在于其非破坏性、高空间分辨率和对复杂结构的适应性。与传统的光学成像、同步辐射X射线断层扫描和中子断层扫描相比，SAM能够在不依赖高能辐射的情况下，对电极材料进行高精度成像。此外，SAM技术的图像采集速度较快，尤其是在小规模的实验中，能够实现接近实时的成像效果。然而，SAM在实时成像方面仍存在一定的限制，主要由于当前的扫描方式需要逐点采集数据，导致图像采集时间较长。为了克服这一问题，研究团队提出了一些可能的解决方案，例如采用多扫描超声波发射器实现并行采集，或者通过计算超声成像技术减少数据采集事件，从而提高成像速度。

本研究的结果不仅展示了SAM技术在电化学气泡研究中的应用潜力，还揭示了其在实际工程应用中的局限性。例如，在大规模电解装置中，SAM的成像范围和分辨率可能受到设备限制，而同步辐射X射线断层扫描和中子断层扫描虽然能够提供更高的空间分辨率，但它们的图像采集速度较慢，且需要复杂的设备和特定的实验条件。因此，SAM技术作为一种非破坏性的、成本较低的成像方法，为未来的电化学研究提供了一种高效且可行的工具。它能够帮助研究人员更好地理解气泡的动态行为，并为优化电极设计和提升电解效率提供数据支持。

此外，本研究还强调了气泡在电化学过程中的重要性。气泡的形成和积累不仅会影响电极的表面特性，还可能改变电化学反应的路径和效率。通过SAM技术对气泡的定量分析，研究团队能够更准确地评估气泡对电解过程的影响，并为开发更高效的电化学系统提供理论依据。例如，通过调整电极的结构设计，如改变孔隙尺寸、表面纹理和材料选择，可以有效减少气泡的积累，从而降低电化学过电位，提高电解效率。

在实际应用中，SAM技术可以作为其他高分辨率成像方法的有力补充。它能够提供足够的空间分辨率，同时具备相对较高的图像采集速度，适用于实验室规模的研究。然而，对于需要实时监测的工业级电解装置，SAM技术仍需进一步的技术改进。例如，通过优化超声波发射器的设计，或者引入更先进的图像处理算法，可以提高成像速度和精度，从而满足大规模应用的需求。

总体而言，本研究通过实验验证了SAM技术在碱性水电解系统中的应用潜力，并展示了其在定量分析气泡分布方面的优势。SAM不仅能够提供高分辨率的三维图像，还能有效区分气泡与电极材料，从而为电化学系统的优化提供了新的视角。未来的研究方向包括提升SAM的实时成像能力，探索其在不同电极结构和操作条件下的适用性，以及与其他成像技术进行联合应用，以获得更全面的电化学行为数据。这些努力将有助于推动绿色氢能生产技术的发展，提高电解效率，并促进相关材料和设备的创新。