文章题目：Strategies for bubble removal in electrochemical systems
关键词：Active strategy, Bubble removal, Electrochemical system, Passive strategy, Superhydrophilic surface
原文链接：/science/article/pii/S2772970223000020
(资料图片)
近日，中国科学技术大学谈鹏教授课题组在Energy Reviews发表文章“Strategies for bubble removal in electrochemical systems”, 本文章全面分析了电化学系统中气泡的演变机制和由此产生的过电位机理和模型，从被动和主动策略的角度强调了高效排出气泡的最新进展。其中被动策略作用于电极结构和表面润湿性以及电解质物化特性；主动策略借助于外场，例如使用流动电解质、声场、磁力和光热效应等引导气泡远离反应场所。
01内容简介
1. Introduction(前言)
2. Fundamentals（理论基础）
Bubble evolution process（气泡析出过程）
Bubble effects on the electrochemical reaction and the induced overpotential（气泡对电化学反应的影响极其对应的过电位）
Category of bubble removal strategies（排出气泡的策略分类）
3. Passive strategies for bubble removal（被动式排出气泡策略）
Superhydrophilic surfaces for fast bubble detachment（超亲水表面）
Nanosheet structure（纳米片结构）
Nanocone structure（纳米锥结构）
Other nanostructures（其他纳米结构）
Breathable electrodes（呼吸式电极）
Sacrifice sites（牺牲位点法）
Surfactant modification（表面活性剂改性）
. Limitation of passive strategies（被动式策略的缺点）
4. Active strategies for bubble removal（主动式排出气泡策略）
Flow fields（流动电解液）
Acoustic fields（声场）
Magnetic fields（磁场）
Photothermal fields（光热场）
Limitations of active strategies（主动式策略的缺点）
5. Summary and outlooks（总结和展望）
02内容亮点
1、当气泡在电化学反应中剧烈演化时，活性中心和离子传导路径的阻塞会导致严重的能量损失；
2、随着新理论、新材料、新技术的不断涌现，本文分析了近年来在促进电化学体系中气泡去除方面的研究进展；
3、本文从被动策略和主动策略两个角度介绍了缓解泡沫问题的最新进展：被动策略影响电极的宏观和微观结构、表面润湿性和电解液性质；主动策略使用外场，包括流动的电解液、声场、磁力和光热效应，以引导气泡离开反应部位，以达到高反应速率，而需要外部能量；
4、本文最后给出了这两种策略的优缺点并对高性能放气电化学系统的设计进行展望。
03内容导读
可再生能源的发展促进了电化学工业的成熟，然而大多数反应过程伴随着析气反应，如电解水制氢、氯碱生产、直接甲醇燃料电池等。快速的析气反应导致气泡的生成，从而导致电极上反应活性位点和离子传导通道的失效，最终引起严重的能量损失。目前已取得的去除气泡策略的进展亟需详细的总结以指导实际电化学工业过程。
电极中气泡的完整生命周期可为成核、生长（可能的融合）、脱离三个过程。气泡对电极表面的附着、占据电解液中的离子传输通道以及脱离等过程引起的对流，会产生较大的活化、欧姆以及浓差过电位。目前已有大量的工作，尤其是在电解水制氢场景中，基于气泡原位观测、物化特性表征、微电极单气泡构建以及动力学和热力学等角度的机理研究来完善这一电化学系统耦合多相流的复杂问题。
除此之外，大量的工作投入到高效排出电化学反应过程中气泡析出的策略研究中。目前使用最广泛的方法是构建超亲水的电极表面。这是一种被动式的方法，即无需外场的作用，基于已有的电化学系统本体实现抑制气泡的目的。在这种超亲水表面，气泡无法附着，成核后生长至特别小的尺寸即会从电极表面脱离，从而减少对电极反应的影响。目前主要是通过构建纳米片、纳米锥、纳米花、纳米纤维等密集纳米结构，在电解水制氢、氯碱生产、光解水等领域取得了不错的应用。
另一种被动策略是通过将表面活性剂添加至电解液中，使得气泡以特别小的尺寸脱离，常见的有十二烷基硫酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和Triton X-100等添加剂。除此之外，还有通过将气泡的发生场所转移至一块特定位置的“牺牲位点”法以及“可呼吸”式电极排出气体避免气泡成核的策略。
需要注意的是，上述被动式策略主要适用于中等电流或者小电流下。对于较高电流，当气体析出速率超过所采用策略的极限时，气泡将不可避免地剧烈影响电极反应。
主动策略是通过引入外力主动排出气泡的方法，因此随着外加场强的提高可适用于包括大电流下等各种应用场景。这其中流动电解液和超声波策略因为成熟且有效受到广泛关注。流动电解液通过外加流场的剪切力将附着于电极表面的气泡以很小的尺寸脱离。超声波策略则通过振动的方式让气泡“失稳”从而提前脱离。此外，还有磁场借助于洛伦兹力和光热场通过热量改变电极物化特性的主动方法，但其实际应用还有待进一步研究和完善。
04重要结论
本文描述了电化学系统中高效排出气泡的被动式和主动式策略，其中被动式基于已有系统本体可在中等或者较小的反应速率下改善气泡问题，而主动式基于外场施加强制去除气泡的动力适用于大电流快速反应的场景。被动式无需额外附件，主动式高效易于调控。因此，实际使用中两种策略相辅相成。
1、被动策略
对于被动策略，最广泛使用和有效的超亲水表面仅限于构建高催化活性的纳米结构，因此，未来的研究应着眼于设计具有简单和低成本合成方法的高活性纳米结构，例如具有简易制备工艺的元素掺杂的催化剂纳米片。当反应速率不是很高时，“可呼吸”的电极策略可直接引导气体离开电化学系统，具有很好的应用前景。牺牲位点策略已经显示出对操纵气泡析出场所的实验室效果；然而，在大规模或工业规模上的应用还没有被报道。未来的工作可以集中于研究于电极上构建对电化学反应没有影响的合适牺牲位点。对于表面活性剂策略，在广泛使用之前，其参与电化学反应的机制需要进一步的表征予以揭示。
2、主动策略
对于主动策略，流场和声场在大电流析气电化学反应中已经显示了明显的效果。然而，流场策略所消耗的泵功需要考虑去除气泡所节省的能量，以获得最佳的流场参数。同时，由于强烈的流动冲刷和超声振动，应研究有效的方法来减轻流场和声场内电极活性物质的脱落。对于磁场和光热场，其机制需要进一步揭示，应用模式也需要优化，以提高效率和降低系统的复杂性。
3、未来展望
伴随气体析出的电化学反应具有极其广泛的应用场景，尤其处于目前的可再生能源时代。本文综述的被动和主动策略有助于启发电化学系统中高效的气泡去除策略，助力高性能水系储能电池及工业化学品的生产。
通讯作者简介：
谈鹏，中国科学技术大学 热科学和能源工程系特聘教授，研究围绕电化学储能系统中具有共性的多场耦合能质传输问题，包括多场耦合传输机理探究、理论模型构建和调控机制研究等，入选中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。近年来，主持科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项，发表学术论文130余篇，引用4600余次；授权中国发明专利10项。
引用信息：
Yi He,Yifan Cui, Zhongxi Zhao, Yongtang Chen, Wenxu Shang, Peng Tan, ”Strategies for bubble removal in electrochemical systems”, Energy Reviews, 2, 2023, 100015.
Energy Reviews
简介
《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术;化石能源低碳利用与CCUS;氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
“关注前沿 | 引领趋势”
