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Computational fluid dynamics simulation of bubble hydrodynamics in water splitting: Effect of electrolyte inflow velocity and electrode morphology on cell performance

气泡 电解质 材料科学 纳米棒 光电流 电极 计算流体力学 层流 聚结(物理) 多物理 机械 纳米技术 化学 热力学 光电子学 物理 天体生物学 有限元法 物理化学
作者
Satirtha Kumar Sarma,Aditya Singh,Ratan Mohan,Anupam Shukla
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:48 (47): 17769-17782 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.01.107
摘要

Efficient management of oxygen gas bubbles evolving at the photoanode is important for a good overall performance of a photoelectrochemical (PEC) cell. The process of formation, detachment, coalescence and rise affects the bubble residence time at or near the photoanode. A reduced bubble residence time promotes easier electrolyte access to the photoanode surface, thereby enhancing the oxygen evolution reaction (OER) kinetics. In this work, computational fluid dynamics (CFD) simulations using laminar flow and phase-field model in COMSOL Multiphysics are conducted to study the gas bubble hydrodynamics for different bubble configurations, sizes, and bubble gaps. CFD results predict enhanced bubble rise in the presence of forced convection, i.e., some electrolyte inflow velocity (u≠0m.s−1). Experimental results using hematite as the model electrode also show a higher photocurrent density (ca. 4.33 mA.cm−2 at 2 V vs. RHE) for u = 0.1 m.s−1, compared to that without flow (3.5 mA.cm−2 at 2 V vs. RHE). This indicates improved access of electrolyte at the electrode surface and faster OER. Further, CFD simulations for electrode morphology effects show a reduced bubble adhesion for hydrophilic hematite nanorod arrays compared to planar photoanode, due to capillary wicking. The continuous contact film detaches and results in a reduced blockage of active sites at the bubble base, thereby enhancing the PEC performance for the nanorod arrayed morphology. Here too, experimental results show a four-fold increase in photocurrent density (ca. 0.1 mA.cm−2 at 1.5 V vs. RHE) and a 210 mV cathodic shift in onset potential for nanorods, compared to planar electrodes (0.025 mA.cm−2 at 1.5 V vs. RHE). A significant reduction in charge transfer resistance is observed for the former, implying better OER kinetics. The results obtained help in the understanding of transient processes involving O2 bubble hydrodynamics and electrolyte usage efficiency in a PEC reactor.
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