脉动流与3D打印电极对电化学反应器中质量传输和泵送功率的影响

《Chemical Engineering Journal Advances》：Effect of pulsatile flow and 3D-printed electrodes on mass transport and pumping power in electrochemical reactors

　　

增强电化学反应器的性能受到了广泛关注，但关于脉动流增强质量传输及其相关功耗的研究仍然未知。本研究研究了净电解液流速、脉动频率、脉冲振幅以及3D打印电极几何形状对质量传输和泵送功率的影响，并与传统的稳态流动进行了比较。基于铜在不锈钢3D打印电极上的沉积反应，测量了极限电流以计算体积质量传输系数（volumetric mass transport coefficient, kmAe）。通过振荡压降和振荡流量确定了不同电极几何结构（包括体心立方（Body-centred cubic, BCC）、八面体（Octahedron）和挡板（Baffle）设计）的泵送功率密度。单元尺寸为1.25 mm的体心立方电极和挡板电极几何结构在较高的泵送功率密度下表现出比稳态流动更明显的质量传输增强。体心立方电极实现了最高的质量传输，相较于稳态流动最大提升了约30%。研究表明，在相同泵送功率下，脉动流能够增加质量传输，这表明它是提升电化学反应器性能的一种可行策略。

论文解读：脉动流与3D打印电极协同优化电化学反应器质量传输与能耗

1. 研究背景与问题提出

电化学反应器（如氧化还原液流电池、电解冶金池和电合成池）的性能在很大程度上受限于从本体电解液到电极表面的质量传输效率。增强质量传输对于提高电解质利用率、提升工作电压以及减小电池堆尺寸至关重要。传统上，增强质量传输的策略包括提高电解液流速、引入湍流促进器、使用多孔电极等。然而，这些策略大多基于恒定流速下的稳态流动，其固有缺陷在于质量传输特性与停留时间相互耦合：提高流速虽能增强传质，但会缩短电解液在反应器内的停留时间。

近年来，3D打印电极因其可精确控制几何结构（表面积、孔径、孔形和分布）而受到关注，有望实现高传质与低压降的统一。与此同时，脉动流作为一种非稳态流动，通过叠加一个振荡分量，理论上可以解耦传质与停留时间：由时间平均流动控制停留时间，而振荡分量则用于调控传质。此前，脉动流已在振荡挡板反应器和热传递系统中展现出增强传质的潜力，并在电化学领域（如钒液流电池和电合成池）也观察到了性能提升。然而，一个根本性问题尚未得到解答：为了实现特定的质量传输值，不同电极几何结构所需的脉动泵送功率是多少？与稳态流动相比，这种传质增益是否仍然有利？尤其是在对整体能量效率敏感的液流电池应用中，评估脉动流的额外功耗至关重要。因此，本研究旨在探索将3D打印电极与脉动流相结合的策略，以期在考虑泵送功率的前提下最大化质量传输，并回答脉动流能否在与3D打印电极配合使用时带来传质优势这一核心问题。

2. 关键技术方法概述

研究人员采用了实验研究方法。首先，利用粉末床熔融技术制备了三种不同几何结构的不锈钢316L 3D打印电极：体心立方（Body-centred cubic, BCC，单元尺寸1.25 mm和2.5 mm）、八面体（Octahedron，单元尺寸2.5 mm）和挡板（Baffle，挡板间距5.00 mm，孔口直径2.50 mm）。其次，搭建了一套包含定制脉动发生器和蠕动泵的实验平台，用于产生可控的脉动流。第三，采用线性扫描伏安法（Linear Sweep Voltammetry, LSV）测定铜沉积反应的极限电流，进而计算体积质量传输系数（k_mA_e）。第四，通过同时测量振荡压降和振荡流量，计算了不同电极几何结构下的泵送功率密度。

3. 研究结果

3.1. 电极几何结构与脉动参数对质量传输的影响

研究发现，所有电极在脉动流条件下的体积质量传输系数均随净流速、脉动频率和脉动振幅的增加而增大。其中，单元尺寸为1.25 mm的BCC电极和挡板电极表现出最显著的增强效果。与稳态流动相比，BCC 1.25 mm电极在最高测试条件下实现了约30%的质量传输提升。这表明，较小的单元尺寸和特定的几何结构（如BCC和挡板）能更有效地利用脉动流产生的涡流来强化传质。

3.2. 泵送功率密度的表征与对比

泵送功率密度随净流速、脉动频率和振幅的增加而显著上升。不同电极几何结构的压降特性差异明显。BCC 1.25 mm电极由于其高表面积和复杂的内部结构，产生了最高的压降和泵送功率需求。相比之下，挡板电极虽然也增强了传质，但其压降相对较低，显示出更好的能效潜力。

3.3. 质量传输与泵送功率的综合权衡

这是本研究的核心发现。通过绘制体积质量传输系数随泵送功率密度变化的曲线，研究人员可以直接比较不同工况和电极设计的性价比。结果表明，在相同的泵送功率密度下，脉动流条件下的质量传输普遍高于稳态流动条件。特别是对于BCC 1.25 mm和挡板电极，脉动流带来的传质增益在较高功率密度区间尤为明显，证实了脉动流是一种可行的增效策略。然而，在低泵送功率区域，脉动流的优势并不显著，甚至可能不如单纯提高稳态流速。

4. 讨论与结论

讨论总结：

研究人员讨论了脉动流增强传质的机理，认为其源于振荡流动在电极结构内诱导产生的周期性涡流和流动分离，从而有效破坏了扩散边界层，促进了电解液的混合。与稳态流动相比，这种机制可以在不显著增加净流速的情况下大幅提升传质效率。研究还指出，电极几何结构是决定脉动流效果的关键因素：高度有序且具有尖锐边缘的结构（如BCC和挡板）更有利于涡流的生成和传播。此外，研究结果强调了在评估脉动流技术时必须综合考虑传质增益和泵送能耗，特别是在对能量效率有严格要求的液流电池等应用中。

研究结论翻译：

本研究表明，脉动流与3D打印电极的结合是一种提升电化学反应器性能的有效策略。体心立方电极在脉动流下实现了高达30%的质量传输提升。在相同泵送功率下，脉动流能够提供优于稳态流动的质量传输，证实了其在改善电化学反应器性能方面的可行性。