孙晓明/李晖/罗亮EES：探究电催化HER初始阶段界面纳米气泡的生长机制

电化学气体析出反应(GERs)在储能和化工生产中发挥着重要的作用，如水分解和氯碱工业。对于一个典型的气体析出过程，产生的气体产物首先在电极表面缺陷上形成纳米气泡(NBs)，然后增大(通常为>20 μm)到浮力将它们从电极上剥离。

然而，在GERs过程中形成的界面气泡会阻碍电解质与电极表面的有效接触，从而阻碍传质，降低系统的电导率，导致能量效率的降低。因此，有必要对界面NBs生长进行研究，以实现对高效催化剂的合理设计。

基于此，北京化工大学孙晓明、李晖和罗亮等采用对介电场变化极为敏感的表面等离子体共振成像(SPRi)技术，以析氢反应(HER)为模型研究了界面NBs的形成和生长。

在GER条件下，研究人员揭示了在反应条件下界面NBs形成的情况：1.界面NBs在电极表面的疏气位点上很容易成核，而NBs的进一步生长需要更高的外加偏压；2.NBs的生长表现为CCD模式，三相接触线被表面不均一性固定。

界面NBs的“尖头上升”演化导致了更小的曲率半径、更高的Laplace内部压力和更高的气体化学势，这给GER带来了额外的过电势η_NB。并且，与NBs的生长相比，新气泡在亲水表面的成核难度更大，因此在不同过电位下，NBs的表面覆盖几乎保持不变。

此外，当施加的电位超过NBs的临界轮廓值(CA或r)时，NBs就会发生脱层，导致气体压力突然下降，随后NBs迅速膨胀为大气泡。基于原位SPRi和电流测量数据，研究人员提出了一个气泡模型来建立NB生长和电解电流之间的定量关系，优于传统的Tafel电流模型。

总的来说，该项研究不仅为追踪界面NBs的实时增长提供了一种很有前途的方法，而且揭示了NBs在确定反应过程中效率和额外过电位方面的关键作用，为电化学反应气体的电极设计提供了指导。

Interfacial Nanobubbles’ Growth at the Initial Stage of Electrocatalytic Hydrogen Evolution. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D2EE04143J