超快吸附动力学表面活性剂Surfynol 465强化碱性水电解（AWE）析氢气泡脱除与电解性能

《International Journal of Hydrogen Energy》：Enhancing hydrogen production in alkaline electrolyzers using a surfactant with ultrafast adsorption kinetics

　　

在碱性水电解（AWE, alkaline water electrolysis）中评估超快吸附动力学表面活性剂Surfynol 465；高速成像表明Surfynol 465脱除气泡快于Triton X-100；Surfynol 465在2 V下使电流密度近增至三倍，电池电压降低140–150 mV；在为期一周的测试中，含Surfynol 465的平均电池功率约高40%；不锈钢和黄铜腐蚀降低，但碳钢腐蚀增加。

研究背景与问题：可再生能源驱动水电解制氢是清洁氢生产的重要路径。碱性水电解（AWE, alkaline water electrolysis）与阴离子交换膜水电解（AEMWE/AEMEL, anion exchange membrane water electrolyzer）因成本有效和稳健性受到关注，但电极传输现象限制运行效率。析氢过程中气泡快速生成并密集黏附于催化表面，隔离电极与电解液，引起反应电位波动、局部欧姆电阻升高和电化学活性面积下降。气泡脱除调控分主动与被动策略：主动引入超声场或磁场等外部能量，需附加设备并提高系统成本；被动策略无需外部能量，但复杂电极形貌的工业规模化制造仍困难。向电解液添加表面活性剂是实用且低成本的被动策略。气泡脱除取决于浮力、惯性力、压力与表面张力（毛细）力、接触线钉扎、Marangoni力、润湿性、聚并及电极几何形貌等；表面活性剂在界面富集以降低表面张力。传统评价依据平衡表面张力（σ_eq），但电解气泡在数毫秒至亚毫秒尺度成核、膨胀和脱离，界面扩张可能快于表面活性剂迁移与吸附，故动态表面张力（DST, dynamic surface tension）和吸附动力学更关键。此前尚缺乏吸附时间尺度与电解气泡快速扩张耦合的研究，超快表面活性剂能否较慢速表面活性剂显著改善水电解气泡脱除仍属开放问题。

研究开展与结论：研究人员比较两种非离子表面活性剂，Surfynol 465为超快候选，Triton X-100为较慢速对照，二者在所选浓度下具有约40 mN/m的相同平衡表面张力和相同c/c_cmc≈0.48。研究先用简化实验室电解池进行高速光学诊断，比较纯电解液与含表面活性剂溶液的气泡脱除动力学；后在较大规模AEMEL试验台上评估Surfynol 465在更接近实际工况下的作用，并与无表面活性剂电解液比较。结果表明：实验室池中Surfynol 465较Triton X-100和基线更明显降低气泡停留时间指数并抑制最大气泡生长；AEMEL中Surfynol 465降低电池电压、提高平均电池功率，并呈合金依赖的腐蚀影响；产氢纯度达99.99%。其意义在于，快速吸附动力学表面活性剂可作为降低碱性电解槽气泡诱导损失的低成本被动策略，但须验证与系统材料的长期兼容性。

关键技术方法（≤250字）：研究不涉及人群样本队列。光学诊断采用定制甲基丙烯酸酯电解池、烧结不锈钢纤维毡电极及高速CMOS相机（125 fps；部分35,000 fps），以MATLAB图像处理、类PIV互相关和掩膜分析提取气泡尺寸、滞止/上升气体、速度、停留时间与能量指数。AEMEL采用零间隙干阴极单电池（几何活性面积63.6 cm²，Fumasep?膜，不锈钢网+镍泡沫多孔传输层（PTL, porous transport layer），无催化剂层），1 M KOH循环，恒电位活化、稳定运行及I–V扫描；下游零电阻安培计（ZRA, zero resistance ammeter）腐蚀探针测V_corr/I_corr，气相色谱（GC, gas chromatography）-FID-TCD测氢气，总有机碳（TOC, total organic carbon）、扫描电子显微镜（SEM, scanning electron microscope）及核磁共振（NMR）用于电解液与电极表征。

4. 结果：高速光学诊断。通过简化光学池和高速成像/图像处理比较W+KOH、W+KOH/Triton X-100和W+KOH/Surfynol 465。结论：表面活性剂对总体气泡尺寸分布无显著影响，平均直径约100 μm且多分散；Surfynol 465在35 min和4 h抑制约200 μm以上大气泡生长，48 h时三者结果相近；加入表面活性剂加速气体排出（t?10³ min），Surfynol 465使停留时间指数最多降低一个数量级；含Surfynol 465时气泡幕上升速度和气体传输指数较高，能量消耗指数较低（过程后期除外）；35,000 fps初步显示脱离时间0.1–0.3 ms，平均体积生长速率由2.3 mm³/s增至3.6 mm³/s（约+57%），但可测气泡少，未解析吸附过程本身；改善不能简单归因于更小脱离直径，动态过程可能相关，但机制不能分离。48 h后改善不明显，研究人员假设表面活性剂老化或消耗，但未验证；NMR比较不能确认或排除部分降解。

4.1. SEM分析。通过SEM观察48 h使用后的阴极。结论：烧结不锈钢纤维微观结构无显著变化；无表面活性剂时沉积物密集并沿纤维交叉分布；含Surfynol 465时沉积物呈层状、较大且更不规则，覆盖更不均，提示其改变电解液在网表面的分布并促进沉积聚集；SEM对纳米有机膜不敏感且未做XPS/FTIR，不能排除薄吸附层。

5. 结果：AEMEL电解槽实验。通过单电池AEMEL比较W+KOH与W+KOH/Surfynol 465。结论：初始极化曲线中Surfynol 465使电池电压一致降低140–150 mV；0.1 A/cm²时由1.98 V降至1.83 V，过电位降低20%，0.3和0.45 A/cm²时过电位约降16%；2 V恒压下电流密度由0.13 A/cm²增至0.37 A/cm²，近三倍；电压效率提高（0.1 A/cm²由74.7%至80.9%等）；法拉第效率未测，故100%法拉第效率下0.1 A/cm²比能耗由52.6降至48.7 kWh/kg H₂仅为理想参考。一周运行中平均电池功率为44.5±7.7 W（W+KOH）和63.1±3.5 W（Surfynol 465），约高40%，因电源达限流，该值为下限；其反映同电池更高电流及潜在更高产氢率，不代表能量效率改善。腐蚀探针显示Surfynol 465降低黄铜（Cu基）和316L不锈钢腐蚀电荷，但加速碳钢（Fe基）降解，呈合金依赖；相关解释为假设，需表面分析与电化学测试。GC显示氢气纯度99.99%，仅痕量CO₂，无显著污染物；TOC由37.5增至104 mg/L，增量与添加碳同量级，提示表面活性剂或其衍生物留在电解液，但不证明分子完整。讨论指出，AEMEL改善与光学池气泡脱除改善一致，但不能完全归因于气泡脱除；润湿、电极表面状态及吸附阻塞等可能共同作用，需高频电阻、EIS、CV和ECSA等进一步分离机制；长期稳定性与重复性未研究。

研究结论（翻译）：本研究旨在确定具有超快吸附动力学的表面活性剂能否比慢速表面活性剂更有效改善AWE中的气泡脱除，以及如何转化为AEMEL电解槽性能。在所研究条件下，结果对该问题给出肯定回答。首先，在带光学 access 的实验室池中，两种具有相同平衡表面张力（约40 mN/m）和相同c/c_cmc的非离子表面活性剂效果明显不同；二者均加速气泡脱除，但超快吸附动力学表面活性剂Surfynol 465显著更有效：其使气泡停留时间指数最多降低一个数量级，并在运行最初数小时阻止约200 μm以上气泡生长；该效应在无电解液循环的该池中约48 h后减弱。相同平衡表面张力下出现差异，与气泡界面吸附动力学作用一致，但证据为间接且不能分离其他机制贡献。其次，在循环电解液的AEMEL试验台中，向1 M KOH加入Surfynol 465使初始极化曲线电池电压降低140–150 mV，2 V下电流密度由0.13增至0.37 A/cm²（近三倍），一周测试平均电池功率约高40%（因电源限流为下限）。这些改善与光学观察到的气泡脱除改善一致，但不能完全归因于气泡脱除，因为内在动力学、电极和多孔层润湿变化亦可能贡献；Triton X-100仅在实验室池中比较；表面活性剂长期运行稳定性及长期性能重复性未研究。最后，Surfynol 465对材料影响呈合金依赖：降低不锈钢和黄铜腐蚀，加速碳钢腐蚀；产氢纯度99.99%。总体而言，快速吸附动力学表面活性剂是降低碱性电解槽气泡诱导损失的有前景低成本被动策略，前提是验证其与系统材料的兼容性。