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北京大學工學院先進制造與機器人系呂鵬宇博士與德國科學院院士、荷蘭皇家科學院院士、美國國家工程院外籍院士、荷蘭屯特大學Detlef Lohse教授合作，在氣泡相互作用方面取得了重要進展，研究成果以“Self-Propelled Detachment upon Coalescence of Surface Bubbles”為題，于近日發(fā)表在美國《物理評論快報》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。如何促進氣泡從表面脫離是設(shè)計高效電化學/催化過程的重要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。另外，氣泡的脫離會擾動局部流場，增強對流，促進反應(yīng)物到達催化劑表面，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-基底相互作用機理具有重要的科學意義和工程價值。
該研究針對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行為，為促進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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