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北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)制造與機(jī)器人系呂鵬宇博士與德國科學(xué)院院士、荷蘭皇家科學(xué)院院士、美國國家工程院外籍院士、荷蘭屯特大學(xué)Detlef Lohse教授合作，在氣泡相互作用方面取得了重要進(jìn)展，研究成果以“Self-Propelled Detachment upon Coalescence of Surface Bubbles”為題，于近日發(fā)表在美國《物理評(píng)論快報(bào)》上（Phys. Rev. Lett. 127, 235501, 2021. )。呂鵬宇為本文第一作者。
能源、催化等領(lǐng)域的大量電化學(xué)反應(yīng)（例如電解水制氫、過氧化氫分解等）中都存在析氣反應(yīng)，在電極或催化劑表面生成大量氣泡。氣泡的積聚與覆蓋，會(huì)極大減小表面與電解液的接觸面積，降低反應(yīng)速率和能量轉(zhuǎn)換效率。如何促進(jìn)氣泡從表面脫離是設(shè)計(jì)高效電化學(xué)/催化過程的重要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。另外，氣泡的脫離會(huì)擾動(dòng)局部流場，增強(qiáng)對(duì)流，促進(jìn)反應(yīng)物到達(dá)催化劑表面，從而提高反應(yīng)效率。因此，研究固體表面氣泡生成演化的機(jī)制與氣泡從表面脫離的規(guī)律，揭示氣泡-氣泡、氣泡-基底相互作用機(jī)理具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
該研究針對(duì)過氧化氫催化分解產(chǎn)生氣泡的融合與脫離過程（見圖），發(fā)現(xiàn)了氣泡的融合可以加速氣泡從表面脫離。相比于浮力誘導(dǎo)脫離的氣泡，融合誘導(dǎo)脫離的氣泡尺寸僅為前者的三分之一。這是由于相鄰氣泡的融合會(huì)釋放表面能，其中一部分能量被氣泡振蕩過程中的粘性阻力耗散，余下部分能量轉(zhuǎn)換成氣泡從表面脫離的動(dòng)能。該研究給出了氣泡從表面脫離的臨界尺寸，很好地預(yù)測了氣泡融合與脫離的力學(xué)行為，為促進(jìn)水解制氫等新能源技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。
呂鵬宇長期從事流固界面演化規(guī)律及多尺度界面力學(xué)研究，并取得了一系列成果，發(fā)表在國際重要期刊（J. Fluid Mech. 899, A8, 2020; Phys Rev. Fluid 5, 124601, 2020; Phys. Fluids 32, 122111,2020; Phys. Fluids 29, 032001, 2017; Phys. Rev. Lett. 112, 196101, 2014, ESI高被引文章）。
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