光电分解水过程气泡动态行为调控研究
发布时间：2021-06-15 18:31
光电催化分解水制氢技术是目前最有前景的清洁利用太阳能的技术之一,其气体产物主要以气泡的形式输运,气泡的演化规律和动态行为特性影响着系统的传热传质及化学反应速率。本文通过搭建光电催化分解水气泡动态行为可视化实验平台,研究了气泡在水平电极表面的演化规律,探讨了气泡在表面化学反应控制下的生长机理;进一步提出了一种通过外部斩光调控气泡动态行为的方法,发现节律性斩光可使气泡在水平电极表面发生弹跳,并得到了弹跳气泡的动力学特性;通过控制电子快门开关时间调节气泡弹跳特性,得到了气泡返回次数和生长时间在不同斩光模式下的变化规律.
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１实验系统示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｙｓｔｅｍ??
一旦激发光??源被遮挡，生长中的气泡会立即脱离电极表面而上??升至主体溶液中，而若在短暂的遮挡后使激光重新??照射电极表面，已经发生脱离的气泡会返回电极表??面继续生长，将这种气泡的脱离与返回定义为气泡??的弹跳。进一步实验发现，使用斩光系统节律性地??短暂遮挡激发光源会使气泡发生多次弹跳，气泡生??长至一定大小之后发生脱离。斩光模式的调节是通??过设置电子快门的开关时间实现的，如电子快门打??开时间为０．２?ｓ，快门关闭时间为０．１?ｓ，记作斩光模??式０．２？０．１?ｓ。图４（ａ）给出了在节律性斩光作用下气??泡在水平电极表面弹跳的示意图，图４（ｂ）为斩光模??式０．０４？０．０４?ｓ工况下，气泡弹跳的高速显微摄像图??片序列，可见气泡在垂直于电极表面的方向上做一??维弹跳运动。??Ｌａｓｅｒ?ｂｅａｍ??２００?ｊｉｍ??Ｂｏｕｎｃｅ??－！??（ａ）气泡弹跳示意图?（ｂ）气泡弹跳实验图??（ａ）?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?（ｂ）?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ??ｂｕｂｂｌｅ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ?ｂｕｂｂｌｅ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ??图４水平电极表面的气泡弹跳过程??Ｆｉｇ．?４?Ｂｕｂｂｌｅ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ??ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ??取图片底部为２／?＝?０位置，取重力相反方向为??２／正方向，气泡中心初始位置２／?＝?２３５．６?（ｘｍ．图５给??出斩光模式０．０７５？０．０３?ｓ的弹跳气泡在竖直方向相??对位置随时间变化曲线，可见气泡在最终脱离电极??表面之前经历了六次返回和七次脱离，且随着返回?
曹振山等：光电分解水过程气泡动态行为调控研究??１７０３??７期??面后气泡直径不变，即只有气泡附着在电极表面上??时才会生长，脱离后停止生长。??８００??７００??ｐ?６００??一?？?５００??４００??３００??２００??０?１００?２００?３００?４００?５００?６００?７００?８００??ｔ／ｓ??图５气泡弹跳过程竖直方向相对位置随时间变化曲线??Ｆｉｇ．?５?Ｂｕｂｂｌｅ?ｖｅｒｔｉｃａｌ?ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｖｓ?ｔｉｍｅ?ｄｕｒｉｎｇ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ??２．３气泡弹跳特性调控??文献［１３］、［１４］中给出了不同工况对气泡生长??脱离特性的影响规律，发现调节激发光源的功率可??以直接影响气泡的生长脱离特性，气泡生长时间和??脱离直径随激光功率增加而增加，恒定偏压的增加??使激光功率对气泡脱离直径的影响程度变小，而电??解液浓度对气泡生长规律的影响可忽略不计。本文??通过外部斩光改变激发光在电极表面的时间分布，??从而对气泡生长过程进行调节，节律性斩光使气泡??获得弹跳现象。本节将讨论不同斩光工况下气泡的??弹跳特性，包括气泡的反弹次数和生长时间，反弹??次数就是在气泡弹跳过程中脱离之后又返回至电极??表面的次数，总比气泡脱离次数少一次，生长时间??即为气泡从成核生长开始至最终脱离电极表面经历??的总时间。实验发现通过改变快门开关时间可以调??节气泡的返回次数。图７为气泡返回次数随快门开关??图６气泡弹跳过程直径随时间变化曲线??Ｆｉｇ．?６?Ｂｕｂｂｌｅ?ｄｉａｍｅｔｅｒ?ｖｓ?ｔｉｍｅ?ｄｕｒｉｎｇ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ??现结合斩光系统电子快门的开关状态，对水平??电极表面
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电催化过程中氧气泡成核—生长—脱离特性研究[J]. 曹振山,郭烈锦,王晔春,胡晓玮,陈娟雯. 工程热物理学报. 2018(07)
[2]微型压电泵中引流道对气泡控制的影响[J]. 陈松,刘勇,阚君武,杨志刚,温建明,程光明. 农业机械学报. 2016(12)
[3]TiO2一维纳米阵列电极表面氧气泡发展规律研究[J]. 曹振山,胡晓玮,郭烈锦,王晔春. 工程热物理学报. 2016(02)
[4]上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究[J]. 李帅,张阿漫. 物理学报. 2014(05)
本文编号：3231560
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１实验系统示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｙｓｔｅｍ??
一旦激发光??源被遮挡，生长中的气泡会立即脱离电极表面而上??升至主体溶液中，而若在短暂的遮挡后使激光重新??照射电极表面，已经发生脱离的气泡会返回电极表??面继续生长，将这种气泡的脱离与返回定义为气泡??的弹跳。进一步实验发现，使用斩光系统节律性地??短暂遮挡激发光源会使气泡发生多次弹跳，气泡生??长至一定大小之后发生脱离。斩光模式的调节是通??过设置电子快门的开关时间实现的，如电子快门打??开时间为０．２?ｓ，快门关闭时间为０．１?ｓ，记作斩光模??式０．２？０．１?ｓ。图４（ａ）给出了在节律性斩光作用下气??泡在水平电极表面弹跳的示意图，图４（ｂ）为斩光模??式０．０４？０．０４?ｓ工况下，气泡弹跳的高速显微摄像图??片序列，可见气泡在垂直于电极表面的方向上做一??维弹跳运动。??Ｌａｓｅｒ?ｂｅａｍ??２００?ｊｉｍ??Ｂｏｕｎｃｅ??－！??（ａ）气泡弹跳示意图?（ｂ）气泡弹跳实验图??（ａ）?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?（ｂ）?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ??ｂｕｂｂｌｅ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ?ｂｕｂｂｌｅ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ??图４水平电极表面的气泡弹跳过程??Ｆｉｇ．?４?Ｂｕｂｂｌｅ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ??ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ??取图片底部为２／?＝?０位置，取重力相反方向为??２／正方向，气泡中心初始位置２／?＝?２３５．６?（ｘｍ．图５给??出斩光模式０．０７５？０．０３?ｓ的弹跳气泡在竖直方向相??对位置随时间变化曲线，可见气泡在最终脱离电极??表面之前经历了六次返回和七次脱离，且随着返回?
曹振山等：光电分解水过程气泡动态行为调控研究??１７０３??７期??面后气泡直径不变，即只有气泡附着在电极表面上??时才会生长，脱离后停止生长。??８００??７００??ｐ?６００??一?？?５００??４００??３００??２００??０?１００?２００?３００?４００?５００?６００?７００?８００??ｔ／ｓ??图５气泡弹跳过程竖直方向相对位置随时间变化曲线??Ｆｉｇ．?５?Ｂｕｂｂｌｅ?ｖｅｒｔｉｃａｌ?ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｖｓ?ｔｉｍｅ?ｄｕｒｉｎｇ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ??２．３气泡弹跳特性调控??文献［１３］、［１４］中给出了不同工况对气泡生长??脱离特性的影响规律，发现调节激发光源的功率可??以直接影响气泡的生长脱离特性，气泡生长时间和??脱离直径随激光功率增加而增加，恒定偏压的增加??使激光功率对气泡脱离直径的影响程度变小，而电??解液浓度对气泡生长规律的影响可忽略不计。本文??通过外部斩光改变激发光在电极表面的时间分布，??从而对气泡生长过程进行调节，节律性斩光使气泡??获得弹跳现象。本节将讨论不同斩光工况下气泡的??弹跳特性，包括气泡的反弹次数和生长时间，反弹??次数就是在气泡弹跳过程中脱离之后又返回至电极??表面的次数，总比气泡脱离次数少一次，生长时间??即为气泡从成核生长开始至最终脱离电极表面经历??的总时间。实验发现通过改变快门开关时间可以调??节气泡的返回次数。图７为气泡返回次数随快门开关??图６气泡弹跳过程直径随时间变化曲线??Ｆｉｇ．?６?Ｂｕｂｂｌｅ?ｄｉａｍｅｔｅｒ?ｖｓ?ｔｉｍｅ?ｄｕｒｉｎｇ?ｂｏｕｎｃｉｎｇ??现结合斩光系统电子快门的开关状态，对水平??电极表面
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电催化过程中氧气泡成核—生长—脱离特性研究[J]. 曹振山,郭烈锦,王晔春,胡晓玮,陈娟雯. 工程热物理学报. 2018(07)
[2]微型压电泵中引流道对气泡控制的影响[J]. 陈松,刘勇,阚君武,杨志刚,温建明,程光明. 农业机械学报. 2016(12)
[3]TiO2一维纳米阵列电极表面氧气泡发展规律研究[J]. 曹振山,胡晓玮,郭烈锦,王晔春. 工程热物理学报. 2016(02)
[4]上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究[J]. 李帅,张阿漫. 物理学报. 2014(05)
本文编号：3231560
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