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电极的液下超疏气性质及其对电化学反应动力学影响机制研究

批准号:
22072008
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
雷惊雷
依托单位:
学科分类:
电化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
雷惊雷

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
气体析出反应是一类重要的电极反应,是通过电解反应制取氢气、氧气、氯气等资源性气体的基础。采用液下超疏气电极可大大提升气体析出反应的效率。但目前对液下超疏气现象及其影响电极过程的机制缺乏根本认识。为此,本项目拟开展如下研究:制备组成、微观结构不同的系列纳米阵列电极,揭示电极材料组成和微观结构等因素对电极气体润湿性质(接触角、接触角滞后及粘附力)的影响规律,探明其影响机制。将液下超疏气电极用于电化学气体析出反应,通过分析电化学噪声谱数据和高速摄像视频提取析出气泡的尺寸特征和空间分布特征,探明电极润湿性质对气泡脱离过程的影响,揭示气泡脱离步骤对气体析出反应动力学的影响机制,推导液下超疏气电极的气体析出反应的电化学极化方程。以上述结果为指导,构建高效气体析出电极。. 本项目的开展,可深化对电极超疏气性质的认识,还可指导高效气体析出电极的设计、制备。
英文摘要
Gas evolution reactions (GERs), such as generating hydrogen via water splitting and etc, are important electrode processes for electrochemical theoretical investigation and industrial application. The efficiency of GERs can be greatly improved by using under-liquid superaerophobic (ULSOB) electrodes. However, at present it is lack of fundamental insights into the nature of ULSOB phenomena and its mechanism affecting the electrode processes. So this project is proposed as follows: Preparing a series of nanoarrays electrodes with different compositions and microstructures, and investigating the influence mechanism of material composition, microstructure on gas wetting properties (contact angle, contact angle hysteresis, and adhesion force). Analyzing the electrochemical noise spectra and high-speed videos of different ULSOB electrodes for GERs to further extract the characteristics of bubble sizes and spatial distributions. Then the effects of bubble detachment on the wettability as well as on the GER kinetics will be illuminated and the electrochemical polarization equations for the ULSOB electrodes will be deduced. Based on the above results, the efficient gas evolution electrodes will be constructed..This project will provide new and fundamental insights into the nature of the superaerophobicity phenomena, which will also guide the design and preparation of the efficient gas evolution electrodes.
气体析出反应(GER)是气体作为产物的电化学反应,常见的GER包括氢析出(HER)、氧析出(OER)等,它们对电化学基础研究和电化学工程应用都具有重要意义。但目前GER的析气效率不高而尚未获得大规模应用,及时移走生成的气泡是提高GER过程效率的一条重要途经。构建超疏气电极是近年来发展的促使气泡及时脱离电极表面的新方案,但目前对液下超疏气现象及其影响电极过程的机制缺乏深入认识。.针对上述问题,本项目开展了以下研究:.(1) 采用多种物理、化学方法调控固体表面状态,使其具有不同的表面润湿性质,并对其形貌、粗糙度、气泡接触角和滚动角或接触角滞后进行表征,获取其表面润湿性和粘附性特征。研究发现超疏气表面可能存在气体粘附性差异,粗糙度较大的表面往往具有较低的气泡粘附性。.(2) 搭建电化学同步显微高速摄像实验系统拍摄高时间分辨率气泡析出视频,采用计算机图片处理技术提取气泡尺寸、接触角等几何参数随时间的演化,基于上述实验事实和气泡受力分析,提出了变化接触角气泡生长-脱离模型,很好地模拟气泡尺寸和接触角的时间变化规律。.(3)分别使用具有高、中、低气泡粘附性质的超疏气微电极进行析气实验,用幂函数拟合气泡半径数据得到气泡生长的生长系数和时间指数,发现高、中低粘附状态电极的生长系数和时间指数分别为77.3和0.320、90.7和0.247、118.2和0.275,低粘附状态电极析气性能更好。.(4)考察邻近气泡间距对气泡运动状态的影响,发现随气泡间距的减小,相邻气泡可能出现单独脱离、非聚并同步脱离、聚并脱离三种耦合模式;较近的气泡间距有利于气泡快速脱离,即具有较密气泡生长位点的电极具有更高电化学析气效率。.(5) 以前述结果为指导,制备出具有大电化学活性面积、密集气泡生长点、气泡低粘附的CoP纳米催化电极,成功构建高效气体析出电催化体系,该体系具有和贵金属铂相当的析气性能。.本项目的开展,能够深化对润湿和粘附等表面现象的认识,为构建高效气体析出电极提供理论指导,对解决能源危机、发展经济具有重要意义。
液下超疏气电极表面的气泡粘附状态调控及其对气体析出过程的影响机制研究
  • 批准号:
    22372016
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    雷惊雷
  • 依托单位:
环境适应性金属防护体系的构建及其环境适应机制研究
  • 批准号:
    21573028
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    70.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    雷惊雷
  • 依托单位:
滚镀体系中随机过程及多场耦合动力学机制研究
  • 批准号:
    21373281
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    82.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    雷惊雷
  • 依托单位:
多孔阳极氧化铝Turing结构的自组织生长机制研究
  • 批准号:
    20603049
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2006
  • 负责人:
    雷惊雷
  • 依托单位:
国内基金
海外基金