Flydende metal-overførsel fra anode til katode uden kortslutning

Sammenfattende undgås kortslutningen med succes og muliggør selektiv løsrivelse og samtidig overførsel af flydende metaldråber fra en elektrode til en anden i vandige medier. En dråbe kan vælges til at blive fuldstændig løsrevet fra en metaloverflade og samtidig overføres til en anden metaloverflade uden kortslutning.

Boblelaget med en kritisk tykkelse på 250 µm spiller en dominerende rolle for at beskytte det flydende metal mod kortslutning og lette den jævne løsrivelse og overførselsproces, mens oxiderne også kan forhindre det flydende metal i at kortslutte i fortyndet NaOH-opløsning (≤ 0,25 M) med reduceret likviditet.

Opdel det dråbe for dråbe

Processen er selektiv og afhænger af afstanden mellem katode og flydende metal; kun den nærmeste flydende metaldråbe vil løsne sig og overføres (Figur 3b–e).

Alle flydende-metal-dråbe-anoder har det samme potentiale og er således alle drevet til at bevæge sig mod katoden. Men for ækvidistant anbragte dråber (to dråber i fig. 3b og fem dråber i fig. 3c), kan kun én dråbe løsne sig og overføres.

Som vist i figur 3b er to dråber på ækvidistante sider af katoden. De konkurrerer om at deformere og bevæger sig begge mod katoden. I dette eksempel ankommer den venstre dråbe først til katoden og begynder derefter at omgive katoden, mens den højre dråbe trækker sig tilbage til sin oprindelige position (et vinder-tag-alt-scenarie). Som et resultat løsner den venstre dråbe fuldstændigt fra anoden og overføres samtidigt til katoden. Den højre dråbe forbliver i udgangspositionen og forbliver fastgjort til kobbertråden.

For ikke-ækvidistant anbragte dråber i figur 3d er det kun den dråbe, der er tættest på katoden, der selektivt løsner og overføres. Den overførte dråbe kan således vælges ved at flytte katoden. Denne metode løsner og overfører kun én dråbe ad gangen.

Desuden, efter at en dråbe er overført til katoden, kan den efterfølgende tjene som en ny katode til at løsne og overføre en anden dråbe. Denne egenskab muliggør en kontinuerlig overførselsproces for flydende metalsystemer med flere dråber.

Brint og overfladeoxid giver screening

De underliggende mekanismer bag dette fænomen involverer brintbobler ved katoden, et ultratyndt overfladeoxidlag på det flydende metal og en screeningseffekt. Disse faktorer forhindrer tilsammen kortslutning og letter den selektive frigørelse og overførsel af flydende metaldråber.

Når metallet nærmer sig katoden, bliver tre primære faktorer vigtige:1) hydrogenbobler ved katoden, 2) overfladeoxidlaget på det flydende metal og 3) screeningseffekt, som vist i figur 4a–c.

De første to faktorer blokerer fysisk kortslutning (grænseflade illustreret i fig. 4d), mens den tredje faktor muliggør den selektive løsrivelse og overførselsproces af dråber. Det vil sige, at når en flydende metaldråbe omgiver katoden, skærmer den de andre dråber. Som følge heraf afslutter andre dråber oxidationsprocessen og trækker sig tilbage til deres oprindelige positioner.

Kontinuerlig overførsel

Kontinuerlig frem og tilbage overførsel af flydende metaldråber kan realiseres ved at vende elektrodernes polaritet.

Som vist i figur 5a, når elektroderne vendes om efter flydende metal er blevet fuldstændigt overført til katoden, bevæger det flydende metal sig tilbage til udgangspositionen. Desuden kan overførselspositionen styres ved at placere en kobbertråd mellem elektroderne, som vist i figur 5b.

Når kobbertråden fugtes af LMD, smelter den sammen med tråden på kortere tid sammenlignet med ikke-vædet metallisk tråd. Derefter kan LMD nemt gribe wiren og trække den tilbage mod den oprindelige position, ligesom væsketentakler (Figur 5c).

Når to LM-tentakler er arrangeret til at ankomme til katoden på samme tid ved at placere katoden tættere på den højre dråbe, mens venstre side af petriskålen løftes en smule, observeres en analog "kontakthæmning" i figur 5d.

Når LMD'erne mødes med hinanden ved katoden, bliver de ved med at strømme fra begge anoder til den enkelte katode. Når en LMD knækker fra sin anode, udvider den anden sig hurtigt gennem oxidation. Desuden vil LM-tentaklerne navigere mod den bevægende katode for "energi", analogt med det biologiske fænomen kemotaksi. Katoden tiltrækker LMD'erne på grund af gradienterne af grænsefladespændingen.

LM-tentaklerne kunne endda dreje for at følge katoden mod strømkilden, som vist i figur 5e. LM-tentaklerne er i stand til at komme i kontakt med eller adskilles til hinanden ved at flytte katoden.

Applikationer

Sådan manipulation kan udvide nyttige strategier for flydende metaller som form-rekonfigurerbare ledere til enheder og aktuatorer til blød robotteknologi.

Desuden har undgåelse af kortslutning implikationer for elektrokemisk teknik, såsom den udtalte indvirkning på den konvektive transport af elektrokemisk aktive arter såvel som på varmeoverførsel nær elektroder.

Denne forskning trodser ikke kun konventionelle elektrokemiske principper, men tilbyder også lovende perspektiver for udvikling af form-rekonfigurerbare ledere og aktuatorer. Undgåelsen af ​​kortslutning har betydelige implikationer for elektrokemisk teknik, hvilket fremhæver den dybe indvirkning på konvektiv transport af elektrokemisk aktive arter og varmeoverførsel nær elektroder.

Flere oplysninger: Yahua He et al, Flydende metal-overførsel fra en anode til en katode uden kortslutning, Nature Chemical Engineering (2024). DOI:10.1038/s44286-024-00045-1

Journaloplysninger: Nature Chemical Engineering

Leveret af FLEET