论文标题： Joule Heating of Ionic Conductors Using Zero-Phase Frequency Alternating Current to Suppress Electrochemical Reactions

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.03.004

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当电流通过电导体时，它通过将电能转化为热能而产生热量。1841年人们发现这种转换遵循焦耳定律。从那时起，电加热就被广泛应用于我们日常生活和工业的许多方面，几个世纪以来它一直被认为是理所当然的。然而，很少有人关注离子导体用于加热的潜力，这是因为“不可避免的”电化学反应会导致不必要的导体电解、电极腐蚀和表面结垢。因此，使用离子导体开发实用的焦耳加热并且避免电化学反应仍然具有相当大的挑战性。

加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士、香港中文大学教授朱世平研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2023年6月刊发表了题为“Joule Heating of Ionic Conductors Using Zero-Phase Frequency Alternating Current to Suppress Electrochemical Reactions”（零相频下离子导体的焦耳加热及其电解反应抑制）的研究性文章，报道了没有电化学反应的离子导体的焦耳加热。采用零相频率的电流来抑制高电压下离子导体的电解。各种离子导体（液体和固体）的演示显示出无电化学反应的高效能量转换。文章指出，这种加热方法简单、直接、快速、清洁、均匀，在工业和家庭的许多应用中具有巨大潜力。

图1 离子焦耳加热示意图。（a）离子焦耳加热机制的图示；（b）基于交流频率范围的离子焦耳加热与其他当前加热方法的比较。

值得注意的是，零相频率并不适用于所有离子导体。许多因素会影响阻抗谱，如电极和电解质的类型、离子浓度、加热装置的形状和温度。必须指出的是，无论上述因素如何变化，相位角接近于零的交流电频率是离子导体产生焦耳热的先决条件，且使用的交流电仅在零相位频率下才能有效地抑制电化学反应。不同的加热系统有不同的零相频率，必须提前筛选。

总之，在施加零相频率的超高电压（>100 V）来加热离子导体时，不会发生明显的电化学反应，并且可以获得千瓦级的加热功率。文章详细展示了液体和固体电解质的焦耳加热，包括盐溶液、自来水（甚至纯水）、牛奶、离子液体、水凝胶、离子凝胶和离子导电陶瓷。结果表明，离子焦耳加热方法可以高效地进行能量转换，且电热转换过程中没有能量损失。此外，它在需要精确加热的医疗操作和手术应用中也展现出了巨大的潜力。

引用信息：Lei Shi, Zongyi Han, Yixuan Feng, Changgeng Zhang, Qi Zhang, He Zhu, Shiping Zhu. Joule Heating of Ionic Conductors Using Zero-Phase Frequency Alternating Current to Suppress Electrochemical Reactions [J]. Engineering, 2023, 25(6): 138–143.

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原文链接：https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2022.03.004

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