一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法与应用技术

一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法与应用，它涉及液流型电化学反应器的电极结构设计领域，本发明专利技术要解决多孔电极的传质能力差的问题，本发明专利技术采用增材制造技术精确制备电极，由能够产生涡流的多孔板，以及具有零平均曲率流道的三周期极小曲面(TPMS)多孔结构组成。能够在TPMS流道中形成大量涡流，充分发挥了TPMS流道频繁翻转与高孔隙配位数的特点。本发明专利技术操作过程简单，条件可控；电极材料呈现周期性组合结构，孔隙率可控，比表面大，配位数高，传质性能优异；本发明专利技术制备方法工艺简单，化学稳定性好，使用寿命长，可适应多种电化学反应体系。应体系。应体系。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法与应用


[0001]本专利技术属于液流型电化学反应器的电极结构制备领域，尤其涉及高传质能力多孔电极的制备与制。

技术介绍

[0002]随着化石能源的减少及可再生能源的发展，大量依赖于传统能源的领域(诸如化学化工、环境修复和能源转换)已开始向电气化需求转型，带动了氧化还原流动电池、微流体燃料电池、电化学净水和电有机合成反应器等多种液态电化学反应器的发展与应用。然而上述电化学反应器的商业可行性与生产力仍难与相应的传统能源工艺媲美，其原因在于电极传质能力受限，制约了电化学反应器的电流密度，从而降低了其成本竞争力。
[0003]多孔电极可以通过孔隙尺度的对流来强化传质，在提高电化学反应器的电流密度方面具有特殊的优势。然而，传统多孔电极普遍采用自下而上的策略(如水热合成和高温烧结)制备而成，其最大的弊端是高度随机的电极结构导致了流动模式的不均匀性和不可预测性。电化学反应过程中，仅有与电极骨架形成夹角的流动能够强化传质，而平行于骨架的流动无法起到强化传质的作用。因此，随机结构电极势必伴随着低效传质流型，甚至会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法，其特征在于是按照以下步骤进行：步骤(1)、确定电极参数和流体动力学参数：所述的电极参数是根据目标渗透系数和尺寸要求确定电极基材、电极外观尺寸；所述的流体动力学参数是根据电极应用场景确定电极入口流速、流体动力学参数和数值模拟初始条件与边界条件；步骤(2)、基于TPMS表达式以及步骤(1)中的电极参数和流体动力学参数构建待优化电极的TPMS多孔结构和多孔板几何模型；步骤(3)、构建拓扑优化数学模型：以得到最大化的螺旋度为目标函数，利用CFD软件将步骤(1)中电极入口流速、流体动力学参数和数值模拟初始条件与边界条件带入到步骤(2)中待优化电极的TPMS多孔结构和多孔板几何模型建立三维拓扑优化数学模型；步骤(4)、求解拓扑优化结构：利用CFD软件依据步骤(3)的三维拓扑优化数学模型和步骤(2)中优化电极的TPMS多孔结构和多孔板几何模型确定出待拓扑优化多孔板的开孔位置与孔径，获得优化的复合结构强传质多孔电极的直接三维拓扑结构；步骤(5)、根据优化所得的直接三维拓扑结构，对其进行光滑化处理，提取拓扑边界，建立优化的复合结构强传质多孔电极三维几何模型；步骤(6)、求解优化结构对应的物理场：通过CFD软件提取步骤(5)的优化的复合结构强传质多孔电极三维几何模型中多孔电极内部渗流场、电解质浓度分布和压力场分布；步骤(7)、判断设计结果是否满足应用场景需求：根据流体的流型判断电极内部是否充斥涡流，根据电解质浓度分布和流速场，判断是否满足传质需求；若不满足，修改步骤(1)的电极参数和流体动力学参数，重复步骤步骤(4)～(7)，直至满足要求；步骤(8)、电极制备：将步骤(3)的三维拓扑优化数学模型以stl.文件格式输出，按照设计的电极结构进行制备。2.根据权利要求1所述的一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法，其特征在于步骤(1)中电极基材为具有电化学活性的金属及非金属材料。3.根据权利要求1所述的一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法，其特征在于步骤(1)中流体动力学参数包含电解液化学物质的扩散系数、电解液密度和动力粘度；所述的扩散系数为1
×
10
‑
10
～1
×
10
‑8m2/s，电解液密度为8
×
102～1.5
×
103kg/m3，动力粘度为温度为20℃的条件下的0.51
×
10
‑3至7.01
×
10
‑3Pa
·
s。4.根据权利要求1所述的一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法，其特征在于步骤(2)中待优化电极的TPMS多孔结构和多孔板几何模型的待拓扑优化区域为多孔板区域，采用密度函数设计变量γ的分布表征多孔板孔位和孔径，开孔区域的密度函数设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤世界，于源，佟海龙，赵志远，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：