在全球應對氣候變化、推動能源轉(zhuǎn)型的背景下，清潔能源的開發(fā)尤為緊迫。氫氣作為零碳能源載體，廣泛應用于氫燃料電池汽車和儲能系統(tǒng)。然而，目前僅有5%的氫氣通過綠色電解工藝制取，超過 90% 的氫氣依賴天然氣/沼氣重整，這一過程帶來了大量的二氧化碳排放，嚴重阻礙了能源的綠色轉(zhuǎn)型進程。

電催化水分解技術(shù)為綠色制氫提供了可能，通過析氫反應（HER）和析氧反應（OER）將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣。但實際應用中，氣泡粘附催化劑表面會遮擋活性位點、增加電阻，顯著降低電解效率，成為大規(guī)模制氫的關(guān)鍵瓶頸。

面對這一困境，研究人員積極探索各種解決方案。近年來，應用外部場輔助電解成為研究熱點，如磁場、微波、表面等離子體激發(fā)和電場極化等。這些外部場雖在一定程度上改善了電催化性能，但都無法有效解決氣泡相關(guān)的難題。

近日，丹麥奧胡斯大學魏宗蘇老師帶領(lǐng)研究團隊在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上發(fā)表了一項重要研究成果，他們發(fā)現(xiàn)超聲技術(shù)在堿性水分解制氫中展現(xiàn)出巨大的潛力，為解決上述問題提供了新的思路和方法 。

該研究聚焦于超聲對鎳基催化劑在堿性水分解反應中的影響。作者提出的策略核心在于利用超聲的物理和化學效應，加速氣泡從催化劑表面的釋放，同時促進催化劑表面的活性位點再生，從而提升整體的電催化性能。

在研究超聲對氣泡行為的影響時，作者發(fā)現(xiàn)超聲就像一個高效的 “氣泡清除器”。在析氧反應（OER）中，無超聲時，氧氣微氣泡在電極表面逐漸長大，停留時間長，直徑可達90 μm，嚴重影響了反應的進行。而當施加超聲后，氣泡迅速釋放，直徑減小到58 μm，活性位點得以大量暴露。析氫反應（HER）中的氫氣氣泡也有類似的表現(xiàn)，在超聲作用下，其停留時間大幅縮短，傳輸更加順暢。通過對氣泡直徑和停留時間的量化分析，充分證明了超聲在促進氣泡脫離方面的顯著效果。

圖1 示意圖展示了在（a, d）無超聲、（b, e）超聲輻照下析氧反應和析氫反應的半電池構(gòu)型反應，以及（c, f）鎳箔電極上氣泡直徑隨時間的演變情況（插圖顯示電極與氣泡粘附的接觸角）

泊菲萊超聲耦合電/光電解槽能很好地適用于上述研究成果的應用場景，是行業(yè)內(nèi)首款將壓電場與電/光電催化深度融合的反應設備，為清潔能源、環(huán)境治理和綠色化學等領(lǐng)域提供了新的解決方案。

超聲耦合電/光電解槽配備120 W換能器（單側(cè)60 W），超聲功率精準可調(diào)，超聲頻率40 kHz（頻率可定制），能顯著提升催化反應的效率和選擇性。該電解槽可實時顯示反應溫度，便于研究者精準監(jiān)控反應條件。歡迎撥打電話400-1161-365了解關(guān)于這款產(chǎn)品的更多信息。

在上述研究基礎上，作者進一步通過循環(huán)伏安法（CV）和線性掃描伏安法（LSV）等電化學測試手段探究了超聲對電催化水分解性能的影響。

以鎳箔催化劑的OER反應為例，在無超聲條件下，經(jīng)過100次循環(huán)后，1.80 V時的電流密度有輕微下降。而在超聲輔助下，OER 的電催化活性明顯增強，電流密度大幅提升，100次循環(huán)后的最大電流密度比無超聲時提高了約1.43 倍 。HER 反應同樣如此，無超聲時 HER 性能在電位循環(huán)過程中逐漸衰減，而超聲HER的活性則顯著提高。

圖2 鎳箔催化劑的析氧反應循環(huán)伏安曲線變化：（a）無超聲條件；（b）在脈沖超聲（866 kHz，125 W，50%振幅）條件，（c）OER 線性掃描伏安曲線。鎳箔催化劑的析氫反應CV 曲線變化：（d）無超聲條件；（e）超聲條件。（f）HER 線性掃描伏安曲線。（g）OER 和（h）HER 的塔菲爾斜率圖。（i）超聲條件下，電催化活性隨超聲功率增加的變化情況。

除物理層面外，超聲空化會在局部產(chǎn)生高溫高壓的極端環(huán)境，促使水分子分解產(chǎn)生羥基自由基（?OH）和氫自由基（?H） 。作者通過電子順磁共振（EPR）分析成功證實了羥基自由基的存在。這些自由基作為活潑的化學物種，能夠參與到電催化反應中，對反應起到促進作用。

圖3 (a) 超聲誘導化學效應的示意圖。(b) 在超聲輻照和未超聲輻照下，DMPO-OH 的電子順磁共振（EPR）光譜。(c) 在電流密度為10 mA/cm²時的氧氣產(chǎn)量。(d) 在1 M KOH中，無自由基清除劑和含有1%對苯醌時，析氧反應電位增強的直方圖。(e) 在電流密度為10 mA/cm²時的氣體產(chǎn)量。(f) 在1 M KOH中，無自由基清除劑和含有1%異丙醇（IPA）時，析氫反應電位增強的直方圖。(g) 化學效應對析氧反應和析氫反應貢獻的示意圖。

由于超聲的作用機制具有一定的普遍性，因此該技術(shù)不僅適用于鎳基催化劑，未來有望拓展到更多類型的催化劑體系中。研究人員通過對不同催化劑的初步探索，發(fā)現(xiàn)超聲在其他催化劑上也能產(chǎn)生類似的促進氣泡釋放和提升催化活性的效果。

這一研究成果為電催化領(lǐng)域開辟了新的方向，未來超聲技術(shù)有望廣泛應用于其他電催化反應中，如二氧化碳還原、氮還原等，推動這些領(lǐng)域的快速發(fā)展。