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堵塞孔隙，導致電極表面局部“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濕，會發(fā)生干燥和收縮，并產(chǎn)生巨大的歐姆電阻與嚴重的局域熱效應(yīng)（RSC Adv., 5, 14506 (2015)., Hydrogen, 4, 556 (2023).）。因此，為減少氣泡效應(yīng)產(chǎn)生的上述負面效應(yīng)，應(yīng)誘導氣泡的快速解吸。
二、 氣泡的成核、生長與脫附
如圖1所示，氣泡的生命周期包括成核、生長（聚集）、脫附。電化學反應(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)先成核的場所。氣固、液固的界面性質(zhì)影響氣體分子的吸附與聚集，對于電解水制氫反應(yīng)體系來說，疏水電極有利于氣泡成核，親水電極可能會抑制氣泡成核。
圖1. 氣泡的成核、生長(聚集)與脫附過程（Energy Reviews 2 (2023) 100015）
圖2. 氣泡的被動式排出策略（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)以小尺寸快速從電極表面脫附，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式和被動式兩種。主動策略引入外力主動排出氣泡，隨著外加場強的增加，可適用于電解水制氫電解槽等大電流工作場景。被動策略則不需引入外場輔助，僅從材料設(shè)計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，但過大的孔徑會導致PTL與催化層的接觸電阻增加，并可能導致孔隙內(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，而疏水表面則導致大氣泡粘附并橫向生長，增加了“屏蔽效應(yīng)”風險。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）犧牲位點策略。在電極表面構(gòu)建“疏水島”，當氣體到達超飽和狀態(tài)時，優(yōu)先在疏水島成核，從而保護活性位點，目前處于實驗室階段；（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，從而影響其生長與脫附過程。表面活性劑在電化學反應(yīng)中的演化機制需要進一步揭示，目前還處于研究的初級階段。
