电化学应用 || 微重力下的电解气体演化

雷迪美特中国

2020/12/31 11:41

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科研目的：

微重力下的电解气体演化（电解测量）研究重力对电解气体析出的影响，这是一个复杂的电化学过程，在地球和太空中有多种应用。例如，电解产生的气泡可用于制造微流控设备（如皮肤贴片）中的压差，用于输送药物。微重力使人们能够单独研究气泡的生长并研究其对过程的影响。

在地球上，多种因素同时影响着电解气体的演化。一个关键因素是重力，它为气泡创造了浮力。

研究人员进行了一项比较研究，将样本置于地球和国际空间站（ISS-International Space Station）上相同的电气条件下。这种比较对于理解重力对电解气体演化的影响是理想的。

电解测量的结果可能对工业和医疗应用有指导意义。

描述：

微重力下的电解气体演化（电解测量）旨在更好地理解电解气体演化背后的物理现象、气泡生长的现象以及这些现象的影响。这项研究还测试了气泡的形成如何影响EvoPump（一种类似绷带的贴片泵装置，可以通过皮肤输送药物）。通过测量气体演化效率对电流密度的依赖性，并比较地面和空间收集的实验数据，研究人员能够量化多种竞争效应对气体演化的贡献。随着对气体演化的理解的提高，研究人员能够开发出改进的算法来使用EvoPump给药量。

电解产生的气泡可用于在微流控设备中产生压差。Evopump利用这一机制，通过一个超薄、灵活、小、像绷带一样的贴片泵，准确地往皮下输送一种或多种药物。

为了准确地控制电解过程，必须对电解过程中电荷转移的关键过程进行控制。电极与电解液在界面处发生三相转移。在地球上，重力产生浮力，电解产生的气泡很容易从电极表面脱落。气泡的分离会引起微对流，这使得电极附近离子转移的分析变得复杂。微重力条件提供了一个独特的环境，在这种环境中，可以挑选出气泡生长来研究其对电解气体演化的影响：在微重力条件下，没有宏观对流，气泡不会轻易离开电极表面。

H．松岛（H.Matsushima）和他的同事们在微重力条件下，在重力水平约为1x10-5g的条件下研究了电解过程。然而，每次实验仅持续8秒，并且无法通过此类研究获得高分辨率图像。国际空间站为克服这些限制提供了机会。

在不考虑气泡脱离的情况下，输运问题至少可以用两种方法简化。首先，可以更准确地预测气泡覆盖面积和局部电流密度。电流改变电极表面的物质；局部电流密度的预测提供了电解产物局部浓度的精确估计。第二，消除气泡脱离也消除了气泡脱离引起的微对流。在没有搅拌的电解槽中，气泡分离是诱导微对流中气泡生长的唯一选择。这两种简化使研究人员能够挑出气泡增长对电解气泡演化的影响。

应用：

太空应用

电解气体演化或电解可以用来生产氧气，用于航天器和未来人类在月球和火星上的居住。更好地理解重力对工艺的影响有助于更好地设计制氧系统。

地球应用

电解气体演化在地球上的一个应用是用于输送药物剂量的皮肤贴片泵。这项调查有助于详细了解该过程，这是提高剂量准确度的关键。

操作：

操作要求和协议

试验设备和部件包括：

一台带有控制操作软件的笔记本电脑，一个用于数据记录、相机控制、成像和数据分析的传感器。

使用PalmSens4电化学工作站进行恒流控制。

三个显微镜摄像机（带内置照明）同时监测气体演化：用于气泡形成的Cam1，用于气泡覆盖的Cam2，用于气泡形成速率和总体积评估的Cam3。

用于监测压力和温度的环境传感器。多个预制，预填充电解槽，为摄像机记录提供清晰的视野。