金属基底强化噬铝液态金属的氢气产出效应

Yuan等的研究揭示了液态金属“催化”的铝水产氢反应的动态过程［11］，该实验是在玻璃器皿中进行的。那么，相应过程是否能够加快呢？Yang等的实验［15］证实了这一设想。鉴于液态金属自身具有导电特性，研究人员测量了噬铝液态金属在导电基底上的产氢过程。结果表明，不锈钢基底可以大大强化液态金属催化的铝水反应的产氢速率。

图11.11展示了在不同基底上的铝水反应过程［15］。可以看到，在不锈钢基底上，产氢十分剧烈，大量的气泡从噬铝液态金属表面析出。图（e）定量给出了四种情况下的产氢速率，可以看到，相比于玻璃基底而言，不锈钢基底的引入使得产氢速率得到了2～3倍的提升，这在实际过程中很有价值。

图11.11　不同基底上液态金属催化的铝-水反应［15］

a.不锈钢基底；b.玻璃基底；c.无液态金属，不锈钢基底；d.无液态金属，不锈钢基底，NaCl溶液；e.氢气产率随时间的变化。(www.xing528.com)

以下简要解释上述产氢强化效应产生的机理［15］，见图11.12。以往研究已经表明，当液态金属通过脆化作用“吞噬”铝之后，细小的铝颗粒可以认为是均匀分散在液态金属内部的。铝的密度远比液态金属小，因此会由于浮力作用冒出来，与NaOH溶液接触并发生反应产生氢气。这一电化学反应过程可以分解为两个子过程：发生在铝（阳极）表面的Al+3OH-—→Al（OH）3+3e和发生在不锈钢基底（阴极）表面的3H2O+3e—→3/2H2+3OH-。由于阳极阴极的相互吸引，铝颗粒会聚集到液态金属底部。聚集的铝颗粒会增大此处的液态金属表面张力，从而使得液态金属表面形成Marangoni流动。流动的液态金属会促进铝颗粒不断由液态金属内部流出，从而加速其与电解质溶液的反应。

图11.12　产氢强化的机理［15］

a.脆化和吞咽过程后铝液态金属的截面；b.Marangoni流；c.不锈钢基底情况；d.产氢强化机理示意。