電化學(xué)氣體析出反應(yīng)(GERs)在儲(chǔ)能和化工生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，如水分解和氯堿工業(yè)。對(duì)于一個(gè)典型的氣體析出過程，產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物首先在電極表面缺陷上形成納米氣泡(NBs)，然后增大(通常為>20 μm)到浮力將它們從電極上剝離。
然而，在GERs過程中形成的界面氣泡會(huì)阻礙電解質(zhì)與電極表面的有效接觸，從而阻礙傳質(zhì)，降低系統(tǒng)的電導(dǎo)率，導(dǎo)致能量效率的降低。因此，有必要對(duì)界面NBs生長進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高效催化劑的合理設(shè)計(jì)。
基于此，北京化工大學(xué)孫曉明、李暉和羅亮等采用對(duì)介電場(chǎng)變化極為敏感的表面等離子體共振成像(SPRi)技術(shù)，以析氫反應(yīng)(HER)為模型研究了界面NBs的形成和生長。
在GER條件下，研究人員揭示了在反應(yīng)條件下界面NBs形成的情況：1.界面NBs在電極表面的疏氣位點(diǎn)上很容易成核，而NBs的進(jìn)一步生長需要更高的外加偏壓；2.NBs的生長表現(xiàn)為CCD模式，三相接觸線被表面不均一性固定。
界面NBs的“尖頭上升”演化導(dǎo)致了更小的曲率半徑、更高的Laplace內(nèi)部壓力和更高的氣體化學(xué)勢(shì)，這給GER帶來了額外的過電勢(shì)ηNB。并且，與NBs的生長相比，新氣泡在親水表面的成核難度更大，因此在不同過電位下，NBs的表面覆蓋幾乎保持不變。
此外，當(dāng)施加的電位超過NBs的臨界輪廓值(CA或r)時(shí)，NBs就會(huì)發(fā)生脫層，導(dǎo)致氣體壓力突然下降，隨后NBs迅速膨脹為大氣泡。基于原位SPRi和電流測(cè)量數(shù)據(jù)，研究人員提出了一個(gè)氣泡模型來建立NB生長和電解電流之間的定量關(guān)系，優(yōu)于傳統(tǒng)的Tafel電流模型。
總的來說，該項(xiàng)研究不僅為追蹤界面NBs的實(shí)時(shí)增長提供了一種很有前途的方法，而且揭示了NBs在確定反應(yīng)過程中效率和額外過電位方面的關(guān)鍵作用，為電化學(xué)反應(yīng)氣體的電極設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。
Interfacial Nanobubbles’ Growth at the Initial Stage of Electrocatalytic Hydrogen Evolution. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D2EE04143J
