综述：理解并解决低温电解中的阻抗散射问题

《Current Opinion in Electrochemistry》：Understanding and Addressing Impedance Scattering in Low-Temperature Electrolysis

绿氢制备中碱性（AWE）与质子交换膜（PEMWE）电解水系统气泡电极（GEE）的低频阻抗谱散射问题，揭示其与高电流密度（>0.1 A·cm?2）、AWE电解质循环模式及恒电位（PEIS）测量法的强关联性。气泡动力学引发的非稳态效应是主因，表现为白噪声与1/f2色散噪声叠加，可通过延长积分周期（≥60次）和优化电极压缩控制降低。共振假说指出特定频率下交流扰动与气泡运动能量交换导致散射残留，需进一步实验验证。

　　在当前的绿色能源转型进程中，氢气作为一种清洁的化学材料和能源载体，其生产技术的发展至关重要。其中，低温度水电解技术因其相对较高的效率和较低的成本，正成为研究的热点。然而，在实际应用中，氢气生产过程中的电化学阻抗谱（EIS）测量常常面临一个挑战，即在低频段出现的散射现象。这种散射不仅影响了EIS数据的可靠性，也限制了其在系统分析和优化中的应用价值。因此，对低频段阻抗散射现象的研究显得尤为重要。

本文重点探讨了低温度水电解系统中，特别是碱性水电解（AWE）和质子交换膜水电解（PEMWE）中，电化学阻抗谱在低频段出现的散射问题。通过分析大量文献资料，研究团队发现，这种散射现象具有特定的规律性。首先，散射在高电流密度下更为常见，其次，AWE系统的散射现象比PEMWE更为显著，最后，使用恒电位EIS（PEIS）测量模式比恒电流EIS（GEIS）更容易出现散射。这些现象的出现，主要归因于气体生成电极（GEE）中气泡演化的非稳态特性，以及这些气泡对电极系统稳定性的影响。

在低温度水电解过程中，气泡的生成与演化是不可避免的物理过程。气泡的形成和破裂不仅影响电极表面的传质行为，还可能改变电极与电解液之间的界面特性。特别是在高电流密度下，气泡的产生速率加快，气泡的体积和数量显著增加，从而导致电极系统在低频段的阻抗谱出现较大的波动和散射。这种非稳态行为在AWE系统中尤为突出，因为AWE的电解液循环方式使得阴极暴露于更为剧烈的气泡演化过程中，而PEMWE由于采用阳极侧供液的方式，阴极几乎不受气泡影响，从而表现出更高的稳定性。

此外，EIS测量模式的选择也对散射现象的出现产生重要影响。在PEIS模式下，由于测量过程中电位被固定，系统内部的动态变化可能更加明显，从而更容易引发气泡演化的非稳态行为。相比之下，GEIS模式通过保持电流恒定，可以在一定程度上减少气泡对系统的影响，使得阻抗谱更加稳定。然而，这种稳定性并非绝对，尤其是在气泡动态与交流扰动之间存在共振效应的情况下，即使经过多次信号集成，散射现象仍可能持续存在。

为了减少低频段的阻抗散射，研究团队建议采取一系列措施。首先，需要确保测量系统的稳定性，这包括对电极压缩程度的精确控制。电极压缩程度的不一致可能导致电极与电解液之间的接触面积发生变化，进而影响气泡的形成和演化过程。因此，标准化的电极压缩控制是提升测量结果可靠性的基础。其次，提升信号与噪声的比值（S/N ratio）也是关键策略之一。通过对噪声特性的深入分析，研究团队发现，白噪声可以通过延长信号集成时间来有效降低，而非白噪声则需要采用更复杂的信号处理方法。例如，欧洲联盟针对低温度电解技术的EIS测量标准化协议建议至少进行2-3次信号集成，而在实际操作中，60次信号集成被证明是获得稳定数据所必需的。

值得注意的是，某些散射现象即使在延长了信号集成时间后仍然存在，这提示我们可能需要重新审视散射现象的本质。研究团队提出，这些持续存在的散射可能是由于交流扰动与气泡动态之间的共振效应所导致。在特定的共振频率下，气泡的动态行为与交流信号之间会产生相互作用，从而引发阻抗谱的异常波动。这种共振效应不仅影响了数据的准确性，还可能为研究气泡动力学提供了新的视角。

从实际应用的角度来看，低频段阻抗散射的减少对于提升氢气生产技术的性能和可靠性具有重要意义。一方面，稳定且可重复的EIS数据能够为电极材料的优化和系统设计的改进提供有力支持；另一方面，减少散射现象有助于更准确地评估电极在不同工况下的性能表现，从而为绿色氢气的规模化生产奠定基础。然而，目前的文献资料中，关于EIS测量频率范围的信息仍然较为匮乏，例如Nyquist图的标注、Bode图的呈现以及每十倍频程的频率点数量等。这种信息的缺失，使得研究者难以准确判断散射现象的起始频率，进而影响了对散射现象的定量分析和深入研究。

为了进一步推动低温度水电解技术的发展，研究团队呼吁在未来的实验研究中，更加注重EIS测量数据的标准化和系统性。这不仅包括对测量频率范围的详细记录，还应涵盖对电极压缩程度、电解液循环方式以及系统噪声水平的全面分析。通过这些措施，可以更有效地识别和解决低频段阻抗散射的问题，从而提升氢气生产技术的整体水平。

总的来说，低频段阻抗散射现象是低温度水电解技术中的一个关键挑战，其背后涉及复杂的物理和化学过程。通过深入理解散射现象的规律性和成因，研究者可以采取针对性的策略来减少或利用这种现象，进而推动绿色氢气的可持续发展。未来的科研工作应更加注重跨学科的合作，结合电化学、材料科学和工程控制等多个领域的知识，以实现更高效、更稳定的氢气生产技术。