<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1728549191738/1728549191738.png" width="809" height="539" /></p> <div class="paragraph paragraph--type--content-block-text paragraph--view-mode--default" style="color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;"> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px;">&nbsp;</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px;">使用電極生產(chǎn)燃料和化學(xué)產(chǎn)品的工業(yè)電化學(xué)過程會受到氣泡形成的阻礙，這些氣泡會阻塞電極表面的某些部分，從而減少可用于活性反應(yīng)的面積。這種堵塞會使電極的性能降低 10% 到 25%。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px;">但新的研究揭示了幾十年來對這種干擾程度的誤解。這些發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確地顯示了阻塞效應(yīng)的工作原理，并可能導(dǎo)致設(shè)計電極表面的新方法，以最大限度地減少這些廣泛使用的電化學(xué)過程中的低效率。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px;">長期以來，人們一直認(rèn)為每個氣泡遮蔽的整個電極區(qū)域?qū)⒈挥行У販缁?。但事實證明，一個小得多的區(qū)域&mdash;&mdash;大約是氣泡實際接觸表面的區(qū)域&mdash;&mdash;被阻止了它的電化學(xué)活動。新的見解可以直接導(dǎo)致表面圖案化的新方法，以最大限度地減少接觸面積并提高整體效率。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px;">這些發(fā)現(xiàn)<a style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0); color: #050505; text-decoration-line: none; box-shadow: #ff4646 0px -2px inset;" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/nr/d4nr02628d" target="_blank" rel="noopener">今天發(fā)表在《<em>納米尺度</em>》雜志上</a>，由麻省理工學(xué)院最近畢業(yè)的 Jack Lake 博士 '23、研究生 Simon Rufer、機(jī)械工程教授 Kripa Varanasi、研究科學(xué)家 Ben Blaiszik 以及芝加哥大學(xué)和阿貢國家實驗室的其他六人發(fā)表。該團(tuán)隊提供了一種基于 AI 的開源軟件工具，工程師和科學(xué)家現(xiàn)在可以使用它來自動識別和量化在給定表面上形成的氣泡，作為控制電極材料特性的第一步。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">放氣電極通常具有促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的催化表面，用于各種工藝，包括在不使用化石燃料的情況下生產(chǎn)&ldquo;綠色&rdquo;氫氣、可以減少溫室氣體排放的碳捕獲工藝、鋁生產(chǎn)以及用于制造廣泛使用的化學(xué)產(chǎn)品的氯堿工藝。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">這些都是非常普遍的過程。僅氯堿工藝就占美國總用電量的 2%;鋁生產(chǎn)占全球電力的 3%;隨著世界努力實現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)，碳捕獲和氫氣生產(chǎn)在未來幾年都可能迅速增長。因此，新發(fā)現(xiàn)可能會產(chǎn)生真正的影響，瓦拉納西說。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">&ldquo;我們的工作表明，對電極上氣泡的接觸和生長進(jìn)行工程設(shè)計可以對氣泡的形成方式和離開表面的方式產(chǎn)生巨大影響&rdquo;，他說。&ldquo;氣泡下的區(qū)域可能非?；钴S，這為高性能電極引入了一套新的設(shè)計規(guī)則，以避免氣泡的有害影響。&rdquo;</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">&ldquo;過去幾十年建立的更廣泛的文獻(xiàn)表明，不僅那一小塊接觸區(qū)域，而且氣泡下的整個區(qū)域都被鈍化了，&rdquo;Rufer 說。這項新研究揭示了&ldquo;兩種模型之間的顯著差異，因為它改變了您開發(fā)和設(shè)計電極的方式，以最大限度地減少這些損失。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">為了測試和證明這種效應(yīng)的含義，該團(tuán)隊制作了不同版本的電極表面，這些電極表面具有點圖案，這些點以不同的大小和間距成核并捕獲氣泡。他們能夠證明，具有寬間距點的表面促進(jìn)了大氣泡尺寸，但只有很小的表面接觸區(qū)域，這有助于明確氣泡覆蓋率的預(yù)期效果和實際效果之間的差異。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">Rufer 解釋說，開發(fā)用于檢測和量化氣泡形成的軟件對于團(tuán)隊的分析是必要的。&ldquo;我們想收集大量數(shù)據(jù)，觀察許多不同的電極、不同的反應(yīng)和不同的氣泡，它們看起來都略有不同，&rdquo;他說。他說，創(chuàng)建一個可以處理不同材料和不同照明并可靠地識別和跟蹤氣泡的程序是一個棘手的過程，而機(jī)器學(xué)習(xí)是使其發(fā)揮作用的關(guān)鍵。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">他說，使用該工具，他們能夠收集&ldquo;關(guān)于表面上氣泡、它們的位置、它們有多大、它們生長多快，所有這些不同的東西的大量數(shù)據(jù)。該工具<a style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0); color: #050505; text-decoration-line: none; box-shadow: #ff4646 0px -2px inset;" href="https://github.com/differentiate-catalysis/catalyst-bubble-detection/tree/main" target="_blank" rel="noopener">現(xiàn)在可供任何人通過</a>&nbsp;GitHub 存儲庫免費使用。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">通過使用該工具將氣泡形成和演變的視覺測量與電極性能的電測量相關(guān)聯(lián)，研究人員能夠反駁公認(rèn)的理論，并證明只有直接接觸的區(qū)域受到影響。視頻進(jìn)一步證明了這一點，揭示了新的氣泡在更大氣泡的直接下方積極進(jìn)化。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">研究人員開發(fā)了一種非常通用的方法，可用于表征和了解氣泡對任何電極或催化劑表面的影響。他們能夠用一種稱為 BECSA（氣泡誘導(dǎo)的電化學(xué)活性表面）的新性能指標(biāo)來量化氣泡鈍化效應(yīng)，而不是現(xiàn)場使用的 ECSA（電化學(xué)活性表面積）。&ldquo;BECSA 指標(biāo)是我們在早期研究中定義的一個概念，但在這項工作之前還沒有有效的估計方法，&rdquo;Varanasi 說。</p> <p style="line-height: 1.65em; margin: 20px 0px 30px; color: #050505; font-family: MessinaSans, sans-serif; font-size: 20px; white-space: normal;">氣泡下的區(qū)域可以非常活躍，這為高性能電極引入了一套新的設(shè)計規(guī)則。這意味著電極設(shè)計人員應(yīng)尋求最小化氣泡接觸面積，而不是簡單地覆蓋氣泡，這可以通過控制電極的形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)來實現(xiàn)。為控制氣泡而設(shè)計的表面不僅可以提高流程的整體效率，從而減少能源使用，還可以節(jié)省前期材料成本。許多這些氣體逸出電極都涂有由鉑或銥等昂貴金屬制成的催化劑，這項工作的結(jié)果可用于設(shè)計電極，以減少因反應(yīng)阻斷氣泡而浪費的材料。</p> </div>