太阳能光催化分解水气泡动力学研究进展

太阳能光催化分解水制氢中的气泡动力学，涉及多物理场和光催化反应之间的相互作用，相比传统的沸腾换热和电解水领域气泡动力学更加复杂且具有独特性。本文从光催化分解水基本原理出发，综述了催化剂表面气泡成核生长动力学规律及其行为调控的研究进展。对于光催化分解水的气泡成核尺度和过饱和度，可以通过经典成核理论估算，然而受现有测试方式的制约，尚无法同时获取高空间和高时间分辨率的成核过程信息。对于催化剂表面气泡的生长规律，通常可由惯性控制、扩散控制和化学反应控制3种机制进行描述，而决定气泡生长控制机制的关键是有效反应表面与气泡尺寸的相对大小。为了有效降低气泡覆盖对光催化反应系统带来的负面影响，可通过添加表面活性剂、调节催化剂表面结构和润湿性为主的被动调控方式，以及施加外部流场、声场、磁场和周期性光照为主的主动调控方式，对气泡行为进行定向调控加以实现。当前研究面临的主要挑战是揭示光催化分解水过程中复杂物理场作用下的相间作用和能质输运机理，从而为未来低成本、高效利用太阳能光催化分解水制氢应用提供指导。