【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电解水制氢领域，具体涉及一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法。
技术介绍
1、氢因其高能量密度和零碳排放而被视为未来能源社会的理想能源载体。水电解是以可持续的方式生产高纯度(99.999％)氢气的几种主要方法之一。水电解技术主要有三种：碱性水电解(awe)、质子交换膜水电解(pemwe)和固体氧化物电解槽(soec)。其中，awe和pemwe是成熟的技术，其技术可行性已通过长期运行的示范项目得到验证。在awe或pemwe系统运行期间，水分别在阴极和阳极上不断分解为氢气和氧气产物。它们的积累导致催化剂层(cl)表面形成气泡，其生命周期包括成核、生长和脱离阶段。气泡演化行为会影响电催化过程，从而影响水分解的效率。例如，覆盖氧化还原反应位点的气泡的产生可能会阻塞活性电极区域，增加电解质中的欧姆电阻，并产生不良的浓度梯度。为此，cl内的气泡截留可能限制了最大电流密度，从而限制了氢气生产率。此外，在高速相机的帮助下，已经表明具有更密集和更小的气泡的电极表现出降低的过电势。因此，控制气泡的生长和离开被认为是提高水电解槽能源效率的重要途径。
2、为了提高气泡管理性能，研究人员对催化层(cl)进行了多种优化策略。例如，通过引入纳米结构(如纳米片、纳米颗粒、纳米锥和纳米管)来增加表面粗糙度，形成超疏气表面，从而改善气泡的脱离性能。同时，开发了分层电极结构，在纳米阵列上生长较小尺寸的催化剂，以扩大反应面积并增强超疏气性能。研究显示，纳米结构表面上的气泡接触角明显高于平坦表面，导致气泡尺寸显著减小。由镍和碳纳米管组成的分
3、研究表明，超疏气表面有助于气泡的脱离，这主要受气泡的粘附力和浮力的影响。粘附力与表面粗糙度直接相关，可以通过cassie-baxter方程进行描述，表明气泡与表面的接触面积越小，气泡的接触角越大。气泡的浮力则与气泡体积有关，而体积由催化层(cl)的电化学活性表面积(ecsa)决定。最终，粘附力和浮力的平衡决定了气泡的脱离行为，包括气泡的脱离时间和直径，这些因素共同影响气泡的覆盖范围和cl的极化。
4、具有可变形态的超疏气表面在气泡生长、收敛和分离过程中会导致不同的气泡接触面积(bca)和电化学活性表面积(ecsa)，从而产生显著的浮力和粘附力。定性分析表明，bca和ecsa分别随着附着力和浮力的增加而增加。一些研究指出，ecsa对气泡生长的影响不容忽视，但也有研究表明，较高的ecsa可能因粘附力差异而导致性能下降，并且电催化剂的疏气性与ecsa之间可能存在负相关关系。
5、尽管已有研究通过增加表面粗糙度来改善气泡脱离，但如何通过设计cl的形态来调整浮力和粘附力的相对大小，以避免大气泡的形成并延迟气泡的同时脱离，仍然存在未知问题。一些研究采用了宏观气泡动力学模型和电化学模型，探讨了气泡在cl、扩散层和流道上的演化。然而，这些研究在揭示影响气泡生长和脱离的变量，特别是cl的形态方面，面临一定挑战。
6、总之，超疏气表面形态对气泡演化行为和极化曲线的影响涉及多个方面。表面形态的不同可能会改变气泡的生长、移动和脱离过程。表面粗糙度和几何结构可能影响气泡的接触角、粘附力和浮力，这些因素如何共同作用于气泡的形成和去除是一个关键问题。
技术实现思路
1、针对以上提出的现有技术中超疏气表面对气泡生成和去除这一关键问题，本专利技术提出一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法。该方法应用于可再生能源电解水制氢领域，在电解槽运行过程中存在的催化剂表面形貌对气泡生成和去除问题，通过shan-chen多组分格子玻尔兹曼模型，揭示气泡生成脱离原理，指导催化剂形貌的制作。
2、本专利技术所采用的具体技术方案如下：
3、本专利技术提供了一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，具体如下：
4、s1、根据实际情况在催化剂层的模拟区域内构建纳米粒子(np)、纳米棒(nr)和分层纳米结构(hn)这三种典型的超疏气催化剂形态，并设置相应边界条件使得模拟结果更加符合实际情况；
5、s2、基于s1构建的不同超疏气催化剂形态，分别从相应催化剂层形貌中抽象出各自的气泡接触面积(bca)和电化学活性表面积(ecsa)这两个物理参数用于模拟；
6、s3、基于shan-chen多组分格子玻尔兹曼模型以及s2抽象出的两个物理参数，对不同超疏气催化剂形态进行模拟，得到相应形态下的气泡脱离时间、气泡脱离直径和气泡覆盖范围。
7、作为优选，所述s1中，边界条件设置方法如下：
8、s11、将催化剂层的模拟区域规定为固液气三相，速度边界条件被用作液相的上边界，液相入口处使用规定速度uf的狄利克雷边界条件的反弹公式，作为固相边界的催化剂表面被布置为无滑移速度边界条件和产氢的活性位点，其余边界表面被认为是开放边界；
9、s12、最初假设所述模拟区域仅由液相组成，不存在气相，且液相和气相的初始速度均为零。
10、进一步的，所述s12中，将液相的密度设为1，将气相的密度设为0。
11、作为优选，所述s2中，气泡接触面积指的是与气泡接触的固体面积，是采用cassie-baxter方程描述粘附力的过程中所得。
12、作为优选，所述s3中，shan-chen多组分格子玻尔兹曼模型具体如下：
13、s31、在求解时，对所设置催化剂层的模拟区域进行离散化，流体的运动通过在离散网格上的粒子分布函数来描述；假设每个粒子只能沿着有限的方向和速度移动；
14、s32、处理气液两相流时，气液两相在离散格子上具有不同的粒子分布函数；气液两相流的不同组分有不同的物理性质，通过特定的相互作用力进行耦合；
15、s33、引入shan-chen势、流固表面张力、重力这三个相互作用力以模拟不同流体组分之间、流体固体之间和所受引力的相互作用；
16、s34、每个时间步内，粒子在离散格子上首先进行碰撞，然后传播到相邻的格点；碰撞过程使用bgk模型来实现，传播过程则根据离散的速度方向完成；
17、s35、在每个格点上，粒子的分布函数通过与局部平衡分布函数的差异来进行更新。
18、进一步的，所述s32中，物理性质包括速度、密度、压力、粘度。
19、本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
20、本专利技术构建了三种典型的催化剂形态，并从其中抽象出气泡覆盖面积和电化学活性表面积两个参数用以描述催化剂形貌；根据实际情况设置相应边界条件使得模拟结果更加符合实际情况；shan-chen多组分格子玻尔兹曼模型的使用则分析了不同催化剂形态中气泡分离时间、生成气泡的直径和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，具体如下：
2.如权利要求1所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，所述S1中，边界条件设置方法如下：
3.如权利要求2所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，所述S12中，将液相的密度设为1，将气相的密度设为0。
4.如权利要求1所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，所述S2中，气泡接触面积指的是与气泡接触的固体面积，是采用Cassie-Baxter方程描述粘附力的过程中所得。
5.如权利要求1所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，所述S3中，Shan-Chen多组分格子玻尔兹曼模型具体如下：
6.如权利要求5所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，所述S32中，物理性质包括速度、密度、压力、粘度。
【技术特征摘要】
1.一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，具体如下：
2.如权利要求1所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，所述s1中，边界条件设置方法如下：
3.如权利要求2所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其特征在于，所述s12中，将液相的密度设为1，将气相的密度设为0。
4.如权利要求1所述的一种基于格子玻尔兹曼模型的催化剂模拟方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：王子朋，罗岩松，郑梦莲，侯阳，王淋，孙洁，陈绮丝，李佳蓁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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