在接近中性pH的条件下进行光电化学水分解提供了一种安全且可持续的生产太阳能燃料的方法，但由于质子和氢氧根离子的质量迁移限制而增加了浓度过电位，因此在接近中性pH的条件下运行具有挑战性。在设计高效太阳能燃料转换装置时，理解这种限制的范围是至关重要的。

有鉴于此，亥姆霍兹柏林材料与能源中心的太阳能燃料所Fatwa F. Abdi等人，结合原位测量和计算模型来可视化和验证电化学池中的pH分布。

本文要点

1）在停滞和pH中性溶液中进行水分解时，使用荧光pH传感器箔原位定量监测局部pH。实验装置不仅可以在靠近电极的区域而且可以在整个电化学电池中快速评估pH梯度。

2）在低电流密度（<2 mA cm-2）下观察到的电解质对流源自浮力效应，这是由于离子消耗和累积引起的局部电解质密度变化而引起的浮力效应。

3）基于观察到的pH梯度，开发了先进的多物理场模型，结合了电化学反应期间浮力效应引起的自然对流。包含浮力效应的多物理场模拟表明，由电化学反应驱动的自然对流可稳定局部pH值，这与实验观察结果一致。相比之下，没有浮力效应的模型预测，即使在低电流密度下，局部pH值也会显著偏离缓冲区的pKa。该模型的实验验证表明，电化学反应引起的自然对流对整体质量传输有显著影响，尤其是在靠近电极的区域，因此在设计和评价太阳能燃料转换装置时应考虑到这一点。

总之，通过直接的可视化，证实了缓冲离子有效地抑制了局部pH值的变化，并表明电化学反应在非搅拌的电池中诱导了自然的电解质对流。

参考文献：

Keisuke Obata et al. In situ observation of pH change during water splitting in neutral pH conditions: impact of natural convection driven by buoyancy effects. Energy Environ. Sci., 2020.

DOI: 10.1039/D0EE01760D

https://doi.org/10.1039/D0EE01760D