在全球應(yīng)對(duì)氣候變化,、推動(dòng)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(yīng)用于氫燃料電池汽車和儲(chǔ)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(yán)重阻礙了能源的綠色轉(zhuǎn)型進(jìn)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(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣,。但實(shí)際應(yīng)用中，氣泡粘附催化劑表面會(huì)遮擋活性位點(diǎn),、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(duì)這一困境,，研究人員積極探索各種解決方案,。近年來，應(yīng)用外部場(chǎng)輔助電解成為研究熱點(diǎn),，如磁場(chǎng),、微波、表面等離子體激發(fā)和電場(chǎng)極化等,。這些外部場(chǎng)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(xué)魏宗蘇老師帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上發(fā)表了一項(xiàng)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(duì)鎳基催化劑在堿性水分解反應(yīng)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(xué)效應(yīng)，加速氣泡從催化劑表面的釋放,，同時(shí)促進(jìn)催化劑表面的活性位點(diǎn)再生,，從而提升整體的電催化性能。

在研究超聲對(duì)氣泡行為的影響時(shí),，作者發(fā)現(xiàn)超聲就像一個(gè)高效的 “氣泡清除器”,。在析氧反應(yīng)（OER）中，無超聲時(shí),，氧氣微氣泡在電極表面逐漸長大,，停留時(shí)間長，直徑可達(dá)90 μm,，嚴(yán)重影響了反應(yīng)的進(jìn)行,。而當(dāng)施加超聲后，氣泡迅速釋放,，直徑減小到58 μm,，活性位點(diǎn)得以大量暴露。析氫反應(yīng)（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(shí)間大幅縮短，傳輸更加順暢,。通過對(duì)氣泡直徑和停留時(shí)間的量化分析,，充分證明了超聲在促進(jìn)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(yīng)和析氫反應(yīng)的半電池構(gòu)型反應(yīng),，以及（c, f）鎳箔電極上氣泡直徑隨時(shí)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(yīng)用場(chǎng)景,，是行業(yè)內(nèi)首款將壓電場(chǎng)與電/光電催化深度融合的反應(yīng)設(shè)備，為清潔能源,、環(huán)境治理和綠色化學(xué)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(zhǔn)可調(diào),，超聲頻率40 kHz（頻率可定制）,，能顯著提升催化反應(yīng)的效率和選擇性。該電解槽可實(shí)時(shí)顯示反應(yīng)溫度,，便于研究者精準(zhǔn)監(jiān)控反應(yīng)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(chǔ)上,，作者進(jìn)一步通過循環(huán)伏安法（CV）和線性掃描伏安法（LSV）等電化學(xué)測(cè)試手段探究了超聲對(duì)電催化水分解性能的影響,。

以鎳箔催化劑的OER反應(yīng)為例，在無超聲條件下,，經(jīng)過100次循環(huán)后,，1.80 V時(shí)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(qiáng)，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(shí)提高了約1.43 倍 ,。HER 反應(yīng)同樣如此，無超聲時(shí) 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(yīng)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(yīng)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(huì)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(shí)了羥基自由基的存在,。這些自由基作為活潑的化學(xué)物種,，能夠參與到電催化反應(yīng)中，對(duì)反應(yīng)起到促進(jìn)作用,。

圖3 (a) 超聲誘導(dǎo)化學(xué)效應(yīng)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(shí)的氧氣產(chǎn)量,。(d) 在1 M KOH中，無自由基清除劑和含有1%對(duì)苯醌時(shí),，析氧反應(yīng)電位增強(qiáng)的直方圖,。(e) 在電流密度為10 mA/cm²時(shí)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(shí),，析氫反應(yīng)電位增強(qiáng)的直方圖。(g) 化學(xué)效應(yīng)對(duì)析氧反應(yīng)和析氫反應(yīng)貢獻(xiàn)的示意圖,。

由于超聲的作用機(jī)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(duì)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(jìn)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(yīng)用于其他電催化反應(yīng)中,，如二氧化碳還原、氮還原等,，推動(dòng)這些領(lǐng)域的快速發(fā)展,。