光电化学分解水制氢体系微纳结构表面微气泡析出过程的相间传质机理研究

Solar-hydrogen converstion by water splitting is one of the significant ways for renewable energy system development. At present, the research on high-efficiency solar-hydrogen converstion is mainly focused on photon-generated electrons transfer enhancment by optimizing the physical and chemical properties of materials, ignoring the effects of mass transfer mechanism in hydrogen production system, however. Under the background of photoelectrocatalytic water splitting system, in order to optimize the transfer and separation of reaction products, the research on energy-mass transport process will be carried out from the aspect of mircobubble formed by reaction products in this project. We plan to investigate the microbubble evolution process by high-speed camera、Micro-PIV and laser-indued fluorescence system and discuss the mass tranfer mechanism on gas-liquid surface with concentraton gradient. We also plan to set up the theoretical model describing bubble evolution from photoelectrode under the condtions of photoelectrocatalytic water splititng and analyze the effects on bubble evolution rate. And then, we will abtain the key factors for reaction products transfer and separation and construct a high-efficiency energy-mass transfer system for photoelectrochemical water splitting. This research will also promote the development of multiphase thermal-physics theories in photoelectrocatalysis, which provieds great acadimic significance and practical value.

利用太阳能光电化学分解水制氢是发展可再生能源体系的重要途径之一。目前对高效太阳能光电化学分解水制氢体系的研究，多从材料光生电子传递受限的角度出发，通过对材料物理化学性质的优化，改善其光电化学分解水制氢性能，但缺点则是忽略了制氢反应体系中的传质受限机制的影响。本项目以光电化学分解水产氢产氧为背景，从优化产物的传递及分离角度出发，以产物形成的微气泡为切入点，对气液间的能质传输问题开展研究。运用显微/高速摄像、Micro-PIV、激光诱导荧光摄像等测试设备，对光电极表面的气泡析出过程开展实验研究，探讨存在浓度梯度的气液相界面传质机理，并建立描述光电化学分解水体系的气泡析出理论模型。同时，通过分析各因素对气泡析出速率的影响，得到优化反应产物传递及分离的关键条件，实现光电化学分解水反应体系下高效的能质传输。本研究将促进光电化学分解水体系的多相流热物理理论构建，具有重要的学术意义和实用价值。

在能源转化过程中，如何建立高效、稳定的能源转化体系、实现材料与体系的协同作用是能源发展的新方向。材料与能源转化体系的耦合作用是由相间的界面决定的，相界面的存在会对各能质输运过程产生影响，成为决定相关转化效率高低的关键。项目以光电化学分解水产氢产氧体系为背景，围绕优化产物的传递及分离问题，以产物形成的微气泡为切入点，对多相体系中的能质传输问题展开研究。通过对影响气泡析出过程的催化剂表面形貌结构、 反应溶液性质、光照条件等因素的分析，揭示光催化分解水制氢反应过程中气泡析出（包括气泡成核、生长、脱附）的相关动力学特性及其与光催化制氢反应的耦合效应，取得的研究成果为材料表面结构的设计及调控提供理论依据，并高效光催化反应体系的构建提供理论指导。另外，通过对反应产物向界面传递过程的研究，探索界面性质与物质传递过程的关系，界面作用机理和动力学过程，对优化产物传递及分离，建立高效的光电化学分解水制氢体系具有重要的现实意义。