商傳媒｜責任編輯／綜合外電報導
為了解決綠氫生產過程中的能源損耗問題，美國康乃爾大學（Cornell University）與香港城市大學（City University of Hong Kong）的科學家團隊共同開發出一款創新的3D電腦模型。這項研究成果詳細揭示了水電解過程中，微小氣泡如何干擾氫氣的產生並增加電力消耗，有望大幅提升綠氫的生產效率，使其成本更具競爭力。
綠氫，是透過使用再生能源將水分解為氫氣和氧氣而生產的氫氣，過程中不排放二氧化碳，被視為未來潔淨能源的重要選項。然而，在水電解（透過電流將水分解成氫氣和氧氣的過程）的過程中，電極上形成的氣泡會阻塞反應區域，阻止水接觸電極表面，並干擾帶電粒子的移動，進而導致電力消耗增加，降低整體效率。
這款3D電腦模型能夠模擬在八個數量級長度範圍內的微觀過程，形同電解槽的「數位孿生」。它不僅能重現真實的電極形狀、材料和操作條件，更能深入揭示肉眼不可見的微觀機制。康乃爾大學助理教授 Lenan Zhang 指出，透過實驗來單獨分析氣泡在不同尺度上的影響極具挑戰性，而3D模型的出現克服了這項困難。
研究團隊透過此模型發現，當氣泡阻塞電極的活性表面時，會導致最大的能源損耗。他們也發現了一個「關鍵氣泡尺寸」：一旦氣泡超出這個臨界半徑，電解所需的額外電壓便會呈指數級上升。在某些模擬條件下，這些額外電壓甚至可能超過沒有氣泡時所需電壓的五成。研究顯示，若能將氣泡控制在臨界閾值以下，個別氣泡所增加的額外電壓可限制在3%以內。此外，這套計算工具能在不犧牲數值精確度的前提下，將模擬所需的計算量減少約1,000倍。
研究人員表示，未來提高效率的關鍵可能在於設計出能讓氣泡在變大前就被釋放出來的電極。下一步，研究團隊計畫將模型擴展到研究多個氣泡間的相互作用，並結合計算優化與3D列印技術，以設計出更高效的電極。這項研究已發表於學術期刊《EES Catalysis》。
參考來源
-
3D model could slash energy losses in US green hydrogen prod…（Interesting Engineering）
-
US to add 300 MW of solar power with four new Florida projec…（Interesting Engineering）
