垂直超声场对碱性条件下制氢用平面与多孔电极的协同效应研究

研究人员针对碱性水电解制氢(AWE)中镍电极表面氢氧气泡屏蔽效应导致的效率下降问题，创新性地结合动态氢气泡模板(DHBT)法制备多孔镍电极与超声场调控技术。通过20 kHz和580 kHz双频超声协同作用，发现多孔电极使过电位降低97 mV，超声辅助进一步降低至132 mV，并揭示超声通过改变Tafel斜率(-250 mV/dec→-87 mV/dec)调控HER反应路径。该研究为工业级电解槽的电极-超声耦合设计提供了关键参数优化依据。

　　

在碳中和背景下，碱性水电解制氢(AWE)因其成本优势成为规模化绿氢生产的主力技术，但电极表面氢氧气泡的屏蔽效应导致高达30%的效率损失。传统解决方案如机械搅拌会引入额外能耗，而表面改性又面临稳定性挑战。这一行业痛点促使科学家探索更高效的物理-化学协同调控策略。

研究人员通过创新性地耦合多孔电极结构与超声场调控，系统研究了20 kHz和580 kHz垂直超声场对平面/多孔镍电极的协同作用机制。采用动态氢气泡模板(DHBT)法制备出具有5.27 μm表面粗糙度的多孔镍电极，结合电化学阻抗谱(EIS)和旋转圆盘电极(RDE)原理的超声质量传递表征技术，首次建立了电极-超声距离(3.5-15 cm)与制氢效率的定量关系。关键技术包括：超声反应器功率标定(20-67 W)、Fe(CN)₆^3?/4?氧化还原对质量传递系数(k_d)测定、以及同步进行的线性扫描伏安法(LSV)和电化学阻抗谱(EIS)分析。

在电极结构影响方面，多孔镍电极使HER过电位显著降低97 mV，表面粗糙度参数S_a达5.27 μm，有效扩增了电化学活性面积。超声场调控实验显示，580 kHz高频超声通过声流效应使k_d提升至12.22 cm/s，而20 kHz低频超声在压力节点(3.5 cm)处引发剧烈空化，导致多孔结构在30分钟内完全剥落。

作用机制研究发现，超声场使Tafel斜率从-87 mV/dec剧变为-250 mV/dec，表明空化冲击波干扰了水分子吸附(Volmer步骤)。值得注意的是，在中等k_d(4 cm/s)区间，多孔电极与580 kHz超声组合展现出最佳协同效应，过电位降低达132 mV，且未出现20 kHz下的结构损伤。

该研究首次揭示了超声频率-电极形貌的适配规律：高频超声(580 kHz)更适合多孔电极的长期稳定运行，而低频超声(20 kHz)需严格控制在10 cm以上安全距离。研究团队特别指出，工业应用中电极-换能器距离应优化在10-15 cm区间，这一发现为下一代超声辅助电解槽设计提供了关键参数依据。论文创新性地将声化学空化机理与电催化过程关联，发表于《Ultrasonics Sonochemistry》，为清洁能源装备的能效提升开辟了新路径。