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作者及发表信息

本研究由N.A. Burton（第一作者，Southern Cross University）和J.C. Grant（通讯作者，Southern Cross University）合作完成，发表于期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews（2025年，卷215，文章编号115584）。研究主题为脉冲电场（pulsing electric fields）对水电解制氢效率的影响，旨在通过优化电解过程中的电动力学、电化学动力学和分子动力学，提高可再生能源制氢的可行性。

学术背景

研究领域：本研究属于可再生能源与电化学交叉领域，聚焦于高效制氢技术。
研究动机：氢能作为可持续能源载体具有显著优势，但传统水电解（water electrolysis）的能耗高、效率受限。脉冲电场技术虽被提出可提升效率，但既往研究结果矛盾（效率提升或降低均被报道），且机制尚不明确。
科学问题：
1. 脉冲电场如何通过调控电动力学、电化学双电层（electric double layer, EDL）和分子动力学影响电解效率？
2. 如何解释既往研究中的矛盾结论？
研究目标：
- 量化脉冲电场对电解效率的影响范围（提升或降低）；
- 提出一种通过测量电解质电容（capacitance）表征分子能量变化的新方法；
- 揭示脉冲参数（频率、占空比、电压）与效率的关联机制。

研究流程与方法

1. 实验设计

研究对象：
- 电解槽：定制丙烯酸电解池（74 mm³），电极采用钛阴极和铂镀层（2.5 μm）钛阳极（NMT Electrodes提供）。
- 电解质：NaOH溶液（20 g/L、50 g/L、80 g/L），体积250 mL。
- 脉冲参数：频率（100 Hz–3 MHz）、占空比（65%–95%）、峰值电压（3.7 V、4.2 V、4.6 V）。

关键设备：
- 脉冲发生器：Tektronix AFG31052函数发生器与定制放大器；
- 测量系统：Tektronix TSB2000示波器、热质流量计（0–130 mL/min）、温度探头（2 s间隔记录）；
- 自制电容探头：钛制平行探针（间距2 mm），通过110 Hz方波测量电解质电容变化（反映分子能量状态）。

2. 实验步骤

流程：
1. 基线测试：直流（DC）电解效率测定；
2. 脉冲电解：依次测试22种代表性频率（1分钟/频率），记录功率输入、产氢速率、温度；
3. 电容测量：电解前后分别测量电解质电容，计算分子能量变化；
4. 参数组合：交叉测试不同NaOH浓度、电压、占空比的影响。

创新方法：
- 电容探针法：首次将电容测量用于实时监测电解过程中水分子的能量状态（如正交-对位水异构体比例变化），替代传统核磁共振（NMR）等复杂技术。
- 电动力学分析：通过示波器捕捉电压-电流滞后效应（图1），量化脉冲波形与能量损耗的关系。

3. 数据分析

• 效率计算：产氢速率（mL/min）与输入功率（W）的比值；
  
• 电容变化：通过时间常数公式（τ=RC）计算，关联分子动力学与电解效率；
  
• 统计方法：每组参数重复测试，示波器数据点取512次平均值以降低误差。
  

主要结果

1. 电动力学影响

• 效率波动：脉冲电场可使效率提升20%或降低40%，取决于频率和占空比（图11–14）。
  
  • 高频（>100 kHz）：电流波形趋平（图8），减少负向电流导致的逆反应，效率提升；
    
  • 低频（<50 kHz）：电流滞后显著（图1），能量耗散于EDL形成和热损失，效率降低。
    
• 负载适应性：脉冲输入允许电解槽在低至额定功率25%时仍保持>65%效率（传统DC无法启动反应）。
  

2. 电化学双电层（EDL）调控

• EDL抑制：高频脉冲（如1 MHz）缩短EDL形成时间，减少离子扩散瓶颈（图2），产氢速率提升279%且效率不变（图16）。
  
• 气泡动力学：脉冲间歇期（off-time）促进气泡脱离电极，增加反应位点（与文献[9,10]一致）。
  

3. 分子动力学变化

• 电容增加：高频脉冲后电解质电容显著上升（图19），表明水分子氢键网络弱化（正交水比例增加），降低解离能垒。
  
• 能量传递：电压脉冲通过极化水分子（图3）定向传递能量，减少无序热耗散。
  

结论与价值

科学价值：
1. 揭示了脉冲电场通过电动力学-EDL-分子动力学耦合影响效率的机制；
2. 提出电容探针法为分子动力学研究提供新工具；
3. 统一了既往矛盾结论，指出效率差异源于脉冲参数选择（如低频负电流导致逆反应）。

应用价值：
- 可再生能源适配：脉冲电解可适应风光发电的功率波动，实现低功耗高效制氢（如0.66 W输入时效率达67.2%，图17）；
- 工业放大潜力：研究证实脉冲技术可扩展至400 W–10 kW电解堆（与文献[15-17]呼应）。

研究亮点

1. 多尺度机制解析：首次同时量化电、电化学、分子三个尺度的动力学变化；
   
2. 方法创新：电容探针法实现分子能量原位监测；
   
3. 参数优化窗口：明确高频（>100 kHz）、高占空比（>85%）为最优区间。
   

其他价值

• 电极保护：脉冲可能减少阳极氧腐蚀（文献[10,13]）；
  
• 未来方向：建议结合AI动态优化脉冲参数，或开发光伏-电解槽直连电路。
  

（报告字数：约1800字）