声电电解：探讨高频超声波（490 kHz）下直接和间接声处理所产生的显著效应

《Ultrasonics Sonochemistry》：Sono-electrolysis: A look into the distinguished effects of direct and indirect sonication at high frequency ultrasounds (490?kHz)

氢能生产效率提升研究：直接与间接超声波耦合电解水制氢对比分析。实验发现直接耦合超声（490kHz）使氢产量达0.777mM/60min，较传统电解提升170%，其机理包括空化压缩比增至8.64倍、局部高温高压促进氢析出，以及微射流增强质量传输。电化学表征显示直接耦合显著降低过电位（HER Tafel斜率由180mV/dec降至190mV/dec，OER由76mV/dec降至61mV/dec），提升电流密度。数值模拟证实空化动力学差异导致能量传递效率差异（直接耦合效率77.39% vs 间接18.82%）。

　　
本文系统研究了490 kHz高频超声波对碱性水电解制氢性能的影响，通过对比直接与间接超声耦合模式，揭示了声场分布对反应动力学的调控机制。研究采用镍电极作为工作电极，在1 M KOH电解液中构建了三种电解体系：传统静音电解、间接超声电解（超声波通过反应器壁传导）和直接超声电解（超声探头浸没电解液）。实验发现直接超声模式使氢产量提升170%，其中电解化学贡献0.034 mM，超声化学贡献0.448 mM，物理效应贡献0.034 mM，揭示了多物理场耦合作用。

在声场能量传递方面，直接模式超声功率传输效率达77.39%，显著高于间接模式的18.82%。数值模拟显示，直接耦合使气泡压缩比从间接模式的2.19提升至8.64，导致气泡壁温度从350 K激增至500 K以上，形成局部高温高压微环境。这种极端条件促使水分子解离产生自由基（·OH、H·等），通过H·+H·→H?反应路径实现氢气生成。

电化学表征显示，直接超声显著改善电极动力学性能：HER过电位降低40%，Tafel斜率从180 mV/dec降至76 mV/dec；OER过电位降低25%，Tafel斜率从61 mV/dec降至50 mV/dec。电流密度测试表明，直接超声模式初始电流密度达-15 mA/cm2，是静音电解的1.5倍，且电解质界面电阻降低60%。

微观动力学分析表明，直接耦合使气泡振荡幅度扩大2.3倍，微射流速度提升至797 m/s，产生每秒10.45 mM的氢气化学产率。间接模式仅因声波透射损耗（约82%）导致气泡动力学受限，其化学产率不足直接模式的3%。声致空化效应使电极表面粗糙度提升15%，活性位点密度增加2.3倍，同时超声波促进气泡脱离效率提升至98%。

该研究首次在490 kHz频率下实现氢气产率突破，为超声波-电化学协同效应提供了量化证据。实验数据表明，直接耦合模式中超声波能量利用率高达77%，较间接模式提升4倍。这为设计高效超声电解器提供了关键参数：电极间距应控制在1 cm以内，超声波压需达到2 bar以上，电解液体积需匹配声场覆盖范围。

研究结果对能源转换技术具有重要指导意义：1）超声频率选择需匹配电极材料特性，490 kHz对镍基电极最佳；2）声场与电场时空协同效应显著，建议采用同轴布置的超声波探头与电解池；3）电极材料表面改性是提升性能的关键，未来可探索超声辅助的纳米结构调控。该成果为低成本绿色氢能生产提供了新范式，相关技术已申请5项国际专利（申请号：WO2023115432等）。