综述：迈向高效节能的碱性水电解技术：质量传输优化与电解槽设计的进展

《Advanced Energy Materials》：Toward Energy-Efficient Alkaline Water Electrolysis: Advances in Mass Transport Optimization and Electrolyzer Design

AWE通过膜优化、电极结构改进和智能控制提升氢能效率与稳定性，解决多尺度传质挑战，推动可再生能源制氢发展。

　　碱性水电解（AWE）作为可扩展的可再生能源制氢技术，具有显著的潜力，但其发展仍面临多重尺度的质量传输挑战，这些挑战直接影响了其效率和耐久性。尽管AWE在工业制氢中占据主导地位，并因其使用低成本、丰富的电极材料（如拉尼镍、镀镍或铁的钢和不锈钢网）以及成熟的碱性电解液（如氢氧化钾）而受到青睐，但这些优势在面对动态操作条件时可能被削弱。特别是在与间歇性可再生能源系统结合时，AWE需要应对诸如负载变化、快速调整和不稳定的输入等因素，这些因素可能导致多种质量传输瓶颈的出现，从而限制其实际应用潜力。

质量传输问题主要体现在四个相互关联的方面：离子迁移受阻、电解液再分布、气泡积累以及气体交叉。在分子尺度上，氢氧化物离子（OH?）的传输受到电场畸变和浓度梯度的限制，而动态负载条件下这些梯度会进一步加剧，导致欧姆极化和浓度极化。在介观尺度上，电解液在多孔膜中的再分布受到毛细作用和电渗流的相互竞争，这可能导致电极一侧的电解液脱水，进而引发局部过电位和性能下降。气泡的形成则在电极表面造成活性位点的堵塞，同时在电极表面形成扩散边界层，进一步加剧浓度极化和电流分布不均。此外，气泡的反复生成与脱离会对催化剂层和粘结网络施加剪切和拉伸应力，从而加速其在循环操作中的微裂和剥离现象。而在宏观尺度上，气体通过膜的交叉现象成为操作风险，尤其是在高压力下，溶解的氢气和氧气可能通过菲克扩散进入对方流体，甚至可能达到爆炸极限（约4%体积）。因此，解决这些质量传输瓶颈成为提升AWE系统性能的关键。

为应对这些挑战，研究者们已经探索了多种创新策略。例如，通过设计分级多孔结构、优化电极和流场设计、以及引入智能的气泡管理技术，来改善离子导电性、气体分离和电解液分布。在膜材料方面，传统石棉膜由于其高离子电阻和显著的气体交叉风险已被淘汰，取而代之的是如Zirfon?这样的复合材料，它结合了聚砜和亲水性氧化锆颗粒，具有良好的化学稳定性和低离子电阻。此外，零间隙配置和固态阴离子交换膜（AEM）也展示了改进的离子传输和气体交叉抑制能力，但它们各自也面临不同的挑战，如零间隙配置中的界面接触损失和AEM在高电流密度下的脱水问题。这些研究强调了材料设计与操作策略的结合，以及对多尺度质量传输行为的综合理解。

在电极组件的优化方面，研究重点从提升催化活性逐渐转向复杂的结构设计，以实现多相界面的控制。例如，通过引入分级多孔结构，电极可以实现更高效的气体排出和电解液补充，同时减少欧姆极化。此外，通过表面工程改变电极的润湿性，可以显著降低气泡的附着时间，从而提升系统效率。同时，结合外部场（如磁流体动力学或超声波）的动态调控方法，也被证明能够有效改善气泡行为，减少电压波动。在工业应用中，通过使用加压设计、梯度润湿性结构和模块化流场设计，可以进一步提升气泡管理能力，从而改善电解液分布和气体排出效率。

在流场设计方面，传统平面或蛇形结构容易导致气泡积聚、死区和浓度梯度，这些都会降低效率。因此，研究者们正在开发更先进的微结构流场，以实现更均匀的电解液流动和更高效的气体排出。例如，球形凹凸流道（CCSFC）结构能够促进均匀的流体分布和有效的气体排出，而平行和点流场则分别适用于特定的性能需求。此外，流场的动态调整，如与负载变化同步的脉冲流速控制，也被证明能够加速气泡脱离，减少电压超调和电极界面的应力。

对于工业规模的AWE系统，挑战不仅来自质量传输本身，还涉及系统的动态响应和稳定性。在高负载条件下，气泡积累和界面脱水成为主要问题，而现有的解决方案如流场调优、差压窗口控制和润湿性管理虽然能够缓解这些动态效应，但仍无法完全消除。因此，需要进一步发展多物理场模拟和自适应控制策略，以实现更精确的质量传输管理。例如，采用等效电路模型分析低负载条件下的寄生电流损失，并通过间歇性操作提升整体效率，这种策略在工业实践中显示出良好的前景。

展望未来，AWE系统的发展将更加依赖于智能界面平台的引入。这些平台结合了自适应材料、嵌入式传感器和AI驱动的数字孪生技术，以实现实时的质量传输监控和系统优化。例如，利用pH响应性聚合物或可切换涂层，可以动态调节电极的润湿性和离子选择性；而嵌入式传感器则可以实时监测气泡覆盖、离子浓度和温度梯度，为系统优化提供数据支持。AI驱动的数字孪生技术则通过传感器数据更新多物理场模型，预测传输瓶颈并生成自适应控制响应，从而提升系统的灵活性和效率。

此外，研究还强调了多尺度质量传输研究的重要性。例如，通过引入分级多孔电极和生物启发的智能界面设计，可以有效改善气泡管理与离子传输的协同效应。未来，研究者们正在探索更先进的制造技术，如3D打印和模板合成，以实现对孔隙分布、连通性和润湿性的精确控制。这些技术的发展将有助于设计更适应动态传输环境的电极结构，从而提升AWE系统的性能和稳定性。

总体而言，AWE技术的持续发展需要从材料设计、系统工程和数据驱动优化三个方面进行综合考虑。通过结合先进的膜材料、优化的电极结构和智能的流场设计，可以显著改善质量传输效率，提高系统性能。同时，智能平台的引入为AWE技术提供了自适应和自优化的可能性，使其能够更好地应对复杂和动态的操作条件。这些进展不仅有助于提升AWE的效率和耐久性，还为绿色氢经济的实现奠定了坚实的基础。未来的研究应进一步聚焦于如何将这些创新策略整合到实际的工业应用中，以推动AWE技术的可持续发展和规模化应用。