一、 活化極化、濃差極化與氣泡效應(yīng)

活化極化主要與反應(yīng)的活化能壘有關(guān)，提高反應(yīng)溫度、增加活性位點(diǎn)數(shù)量等可以有效降低活化過電位。在大電流密度下，活化極化主要來源于氣泡在催化劑表面上附著導(dǎo)致有效活性面積減少，或稱為“屏蔽效應(yīng)”。濃差極化來源于電極表面與體相反應(yīng)物濃度（水）的差異。氣泡在催化層表面聚集會(huì)堵塞孔隙，導(dǎo)致電極表面局部“水干涸”，加重濃差極化。此外，“水干涸”區(qū)域的膜由于不能得到充分潤(rùn)濕，會(huì)發(fā)生干燥和收縮，并產(chǎn)生巨大的歐姆電阻與嚴(yán)重的局域熱效應(yīng)（RSC Adv., 5, 14506 (2015)., Hydrogen, 4, 556 (2023).）。因此，為減少氣泡效應(yīng)產(chǎn)生的上述負(fù)面效應(yīng)，應(yīng)誘導(dǎo)氣泡的快速解吸。

二、 氣泡的成核、生長(zhǎng)與脫附

如圖1所示，氣泡的生命周期包括成核、生長(zhǎng)（聚集）、脫附。電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體（如O₂、H₂）在電極表面部分區(qū)域的飽和度達(dá)到一定程度后，氣體分子克服能量壁壘從液體中析出吸附在電極表面，形成納米尺寸的氣泡核，氣泡核生長(zhǎng)到臨界尺寸后從固體表面脫附。成核能壘低的區(qū)域，如缺陷、雜質(zhì)、特殊的納米結(jié)構(gòu)等，是氣泡優(yōu)先成核的場(chǎng)所。氣固、液固的界面性質(zhì)影響氣體分子的吸附與聚集，對(duì)于電解水制氫反應(yīng)體系來說，疏水電極有利于氣泡成核，親水電極可能會(huì)抑制氣泡成核。

圖1. 氣泡的成核、生長(zhǎng)(聚集)與脫附過程（Energy Reviews 2 (2023) 100015）

圖2. 氣泡的被動(dòng)式排出策略（a）PTL微結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Electrochim. Acta, 316, 43 (2019).），（b）-（c）超親水納米結(jié)構(gòu)（Adv. Mater. 26 (17) (2014) 2683-2687, J. Electroanal. Chem. 829 (2018) 194-207）

三、 氣泡的高效排出策略

理想狀態(tài)下，氣泡應(yīng)以小尺寸快速?gòu)碾姌O表面脫附，然而在大電流密度下，氣泡的形成速率往往大于其脫附速率，導(dǎo)致催化層表面覆蓋氣泡膜。氣泡的高效排出策略主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)策略引入外力主動(dòng)排出氣泡，隨著外加場(chǎng)強(qiáng)的增加，可適用于電解水制氫電解槽等大電流工作場(chǎng)景。被動(dòng)策略則不需引入外場(chǎng)輔助，僅從材料設(shè)計(jì)的角度抑制氣泡的形成，包括多孔傳輸層（PTL）與催化層（CL）的孔徑、孔隙率、親疏水性、表面形貌等。以下為常見的被動(dòng)式氣泡排出策略。

1. 平衡PTL孔徑與結(jié)構(gòu)：雖然大孔有利于氣體的快速排出，但過大的孔徑會(huì)導(dǎo)致PTL與催化層的接觸電阻增加，并可能導(dǎo)致孔隙內(nèi)部的局部干燥。如圖2a所示，在孔隙率恒定的情況下，較小的孔徑（如101μm）表現(xiàn)出更低的電池電壓。這表明優(yōu)化微孔結(jié)構(gòu)能充分平衡水分的吸入與氣體的排出。

2. 超親水催化層構(gòu)筑：親水表面促使氣泡以較小的尺寸迅速脫離催化層，而疏水表面則導(dǎo)致大氣泡粘附并橫向生長(zhǎng)，增加了“屏蔽效應(yīng)”風(fēng)險(xiǎn)。垂直的錐形陣列、納米片、納米花等具有超親水的特性（Applied Energy 401 (2025) 126808），并且可以中斷氣泡與催化劑表面的界面，從而有效減小氣泡的脫附半徑。

3. 其他策略：(1）犧牲位點(diǎn)策略。在電極表面構(gòu)建“疏水島”，當(dāng)氣體到達(dá)超飽和狀態(tài)時(shí)，優(yōu)先在疏水島成核，從而保護(hù)活性位點(diǎn)，目前處于實(shí)驗(yàn)室階段；（2）表面活性劑改性。在電解液中添加表面活性劑改變氣泡的表面張力，從而影響其生長(zhǎng)與脫附過程。表面活性劑在電化學(xué)反應(yīng)中的演化機(jī)制需要進(jìn)一步揭示，目前還處于研究的初級(jí)階段。