有限元数值模拟在能源小分子电催化还原体系中的应用进展

H2O、CO2、N2等小分子物质的电催化转化技术在氢气、甲烷、氨等化学品合成领域获得广泛应用。近年来,基于光伏、风电、水电等发电技术的发展,电催化技术产生了巨大的发展应用空间。然而,电催化体系的复杂多相反应过程涉及电化学、传质、传热等多物理场的强耦合作用,传统实验方法难以全面解析其内在机理,制约了电催化技术的进一步发展。有限元数值模拟是基于电场、温度场和流动场等物理场耦合建立电催化体系的数学物理模型,模拟体系内部的电催化反应、物质传递、动量传递和热量传递等过程的有效方法,能够揭示电催化体系中“构-效”关系的内在规律,指导设计和优化电催化体系。本文梳理了有限元数值模拟在电催化领域中的发展历程,简介了电催化体系中有限元数值模拟的计算流程,指出了有限元数值模拟在电催化体系中能够解决的实际问题。从催化剂结构设计、边界条件调控、反应器设计3个方面,回顾了近年来有限元数值模拟在能源小分子电催化转化技术中的研究进展。最后展望了有限元数值模拟在电催化领域中的发展方向。有限元数值模拟正在从辅助分析工具发展为电催化体系优化的重要驱动力。随着计算方法的进步和多学科交叉融合,有限元数值模拟有望在质子耦合电子转移机制解析、工业级电解槽放大等关键问题上发挥更大作用,加速能源小分子电催化技术的实际应用。

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