为什么在光电化学反应器阴极设计中使用堆叠和旋转的不锈钢丝网？

堆叠和旋转的不锈钢丝网主要用于最大化阴极的有效表面积。通过以特定角度（例如 30°）分层堆叠这些丝网，工程师可以创建复杂的、三维的结构，其有效面积是阳极的数倍。这种设计极大地降低了电极极化，并加速了质子还原过程，从而显著提高了氢气产率。

通过将平面转化为高密度体积电极，这种配置降低了反应电阻，并成倍增加了可用于制氢的活性位点数量。

最大化活性反应位点

表面积倍增器

在标准的反应器设计中，化学反应的可用表面积受限于平板的几何形状。堆叠丝网通过利用反应器的体积而不是仅仅利用横截面积来克服这一限制。

旋转的重要性

简单地堆叠丝网会导致丝线完美地对齐，从而浪费了潜在的表面积。旋转层（例如，旋转 30°）可确保丝线错开。这种错位使更多的不锈钢暴露在电解液中，从而形成一个密集的反应活性位点网络。

提高电化学效率

降低电极极化

这种高表面积的一个关键优势是降低了电极极化。通过将总电流分布在更大的表面积上，局部电流密度会下降。这降低了驱动反应所需的能量势垒，使系统更节能。

加速氢气生产

这些反应器中阴极的主要目标是质子 (H+) 还原。旋转丝网设计为质子与电子的相互作用提供了更多的接触点。这加速了反应动力学，直接导致氢气产率的提高。

结构和电气完整性

作为集流体

除了其几何优势外，不锈钢丝网还可以作为有效的集流体。它为电子从外部电路流向反应表面提供了低电阻路径，最大限度地减少了会降低功率输出的欧姆损耗。

提供结构骨架

丝网提供了必要的物理支撑。在采用粉末催化剂或扩散层的设计中，丝网充当刚性骨架。这确保了电极在操作条件下保持其形状和机械完整性。

理解权衡

流体动力学挑战

虽然堆叠丝网增加了表面积，但它也可能阻碍电解液的流动。过于密集的结构可能会产生高背压或“死区”，导致电解液无法有效循环，从而可能使电极的部分区域缺乏反应物。

制造复杂性

与实心板相比，堆叠和旋转组件需要更精确的制造。以特定角度切割、对齐和粘合多层会增加制造过程的步骤，这可能会增加反应器构建的成本和复杂性。

为您的反应器做出正确选择

在设计光电化学电池时，阴极设计决定了您的最大理论效率。

• 如果您的主要重点是最大化氢气产率：优先选择多层、旋转的丝网堆叠，以最小化极化并最大化活性反应位点的数量。
• 如果您的主要重点是最小化流动阻力：限制堆叠层的数量或选择具有较大孔径的丝网，以确保电解液自由循环而无需高泵压。

旋转丝网策略最终是一种针对化学问题的几何解决方案，用简单的制造换取卓越的动力学性能。

摘要表：

特征	阴极设计中的优势
分层堆叠	通过利用反应器体积来成倍增加有效表面积
30° 旋转	错开丝线，最大化电解液暴露和活性位点
降低的电流密度	降低电极极化和能量势垒
结构刚性	充当催化剂的骨架，同时确保低电阻
增强的动力学	加速质子还原，显著提高 H2 产率

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参考文献

1. Ghassan Chehade, İbrahim Dinçer. A photoelectrochemical system for hydrogen and chlorine production from industrial waste acids. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.136358

本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .