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为优化水电解系统，研究人员针对电解气泡动力学展开研究。通过实验与模拟，发现氢气（H?）气泡 coalescence 引发 Worthington jet 破碎产生电解液液滴，该现象在常重力和微重力下均存在，为提升电解效率提供新视角。
在能源转型的浪潮中，氢能作为清洁高效的二次能源载体，正成为全球关注的焦点。水电解制氢因其原料易得、产物纯净等优势，被视为最具前景的制氢技术之一。然而，在水电解过程中，电极表面生成的氢气（H?）和氧气（O?）气泡会吸附在电极上，不仅遮蔽电极活性位点、减少成核位点，还会增加欧姆电阻，导致电解效率下降。尽管科研人员已对气泡的生长规律、传质过程及受力平衡等展开大量研究，但气泡聚并过程中伴随的液滴喷射现象及其对电解效率的影响机制，仍笼罩在一层神秘的面纱之下。
为揭开这一谜团，德国亥姆霍兹德累斯顿 - 罗森多夫流体动力学研究所（Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf）联合荷兰屯特大学（University of Twente）等机构的研究人员，聚焦水电解过程中氢气气泡内的液滴喷射现象，在常重力与微重力环境下开展了一系列实验与数值模拟研究。相关成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解电解气泡的物理化学特性、优化水电解系统提供了关键 insights。
研究团队主要采用了以下关键技术方法：一是利用抛物线飞行的空客 A310 营造微重力环境，结合高速摄像机和阴影成像技术，实时观测氢气气泡的动态行为；二是搭建三电极电化学系统，通过 Pt 微电极和平面电极生成单个氢气气泡，借助粒子追踪测速技术（PTV）测量液滴速度；三是运用基于体积 - of-fluid（VoF）方法的直接数值模拟（DNS），从理论层面揭示气泡聚并与液滴喷射的内在机制。
电解液喷射现象的发现与特征
在微重力环境下的实验中，研究人员观察到，当氢气气泡附着在电极表面时，会与下方的微气泡地毯发生快速聚并（时间尺度达微秒级）。聚并过程中， Worthington jet（由气泡聚并引发的惯性驱动液柱）破碎形成电解液液滴，这些液滴从气泡底部向顶端迁移。液滴半径在聚并阶段基本保持在 1.8±0.8 μm，仅在气泡脱离前增至 3.1±1.3 μm。这一现象在常重力条件下同样存在，且液滴速度受电流密度影响显著，部分液滴喷射速度可达 15.8 m/s。
马兰戈尼对流对内部流场的影响
实验表明，气泡表面的热马兰戈尼对流（由焦耳热引起的表面张力梯度驱动）与溶质马兰戈尼对流（由电极附近电解液浓度梯度引发）会显著改变液滴的运动轨迹。在低电位下，液滴呈 “烟花状” 扩散；而在高电位下，液滴沿气泡 - 电解液界面上升，形成涡旋结构。这种流场差异与电流密度导致的温度梯度密切相关，高温条件下热马兰戈尼效应占主导，液滴速度可随电流增大而提升至数十毫米每秒。
气泡 - 电极界面电解液 puddle 的形成
在电极附着气泡的演化过程中，喷射的液滴会在气泡 - 电极接触区域聚集形成电解液 puddle。这些 puddle 随聚并事件增多而逐渐扩大，一旦与主体电解液融合，会导致气泡 - 电极接触线收缩，进而促进气泡脱离。研究发现，接触线长度（Lc）的变化直接影响气泡的脱离时机，puddle 的形成与演化成为调控气泡动力学的关键环节。
液滴喷射的物理机制：Worthington jet 的破碎
通过气泡聚并实验与数值模拟，研究人员揭示了液滴喷射的核心机制：当大小气泡聚并时，液膜排水形成颈部，引发毛细波传播。随着颈部曲率增大，惯性流动聚焦产生向上的 Worthington jet，其破碎过程受欧姆数（Oh）控制。当 Oh<0.035 时， jet 因末端 pinch-off 形成液滴；当 Oh>0.1 时， jet 不再破碎。值得注意的是，近壁面高聚并率条件下，即使 Oh=0.042（超过临界值），仍可观测到液滴喷射，表明壁面效应与聚并率对喷射机制有显著调制作用。
这项研究首次系统揭示了水电解过程中氢气气泡内电解液液滴喷射的物理化学机制。研究发现，气泡聚并引发的 Worthington jet 破碎是液滴产生的根源，而马兰戈尼对流与电解液 puddle 形成则分别从流场调控和界面作用角度影响气泡动力学。这些发现不仅拓展了对电解气泡多相流行为的认知，还为设计高效气泡脱离结构、优化电极表面润湿性提供了理论依据。未来，相关成果可进一步推广至氧气气泡研究及其他气液界面反应体系，为提升电化学系统的能量效率、推动绿氢产业发展开辟新路径。
