面向电催化水分解的超润湿界面工程：镍泡沫基自支撑电极的构建策略与传质机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Superwetting Interface Engineering for Electrocatalytic Water Splitting: Construction Strategies and Mass-Transfer Mechanisms of Nickel Foam-Based Self-Supported Electrodes

　　

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  综述了基于镍泡沫的超浸润电极在水分裂中的应用。
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  对比了硫化物/硒化物、磷化物、氧化物、氢氧化物、氮化物及合金体系。
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  将润湿性、气泡动力学和传质与电催化相关联。
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  阐明了产气电解过程中气泡介导的传质机制。

引言

绿色氢能是连接可再生能源转化、长时储能和低碳工业过程的关键能源载体 [1]、[2]、[3]、[4]。电催化水分解能够在温和条件下将水转化为高纯度的 H₂ 和 O₂，因此被视为可持续制氢的关键途径之一 [5]、[6]、[7]、[8]。近年来，析氢反应（HER）和析氧反应（OER）电催化剂的设计已从贵金属基材料扩展至过渡金属硫化物/硒化物 [9]、[10]、[11]、磷化物 [12]、[13]、[14]、氧化物 [15]、[16]、[17]、氢氧化物 [18]、[19]、[20]、氮化物 [21]、[22]、[23] 和多金属合金 [24]、[25]、[26]。通过掺杂、缺陷工程、异质界面构建、相工程和表面重构，在调控电子结构、优化反应中间体吸附和降低反应能垒方面取得了显著进展 [27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。然而，当水电解从低电流密度评估进入数百 mA cm^-2 甚至安培级条件时，电极性能的限制不再仅由本征催化活性决定。

在剧烈产气条件下，H₂/O₂ 气泡的持续产生会遮蔽活性位点、阻碍电解液补充、延长离子扩散路径，并加剧局部欧姆电阻和浓差极化 [36]、[37]、[38]、[39]。对于具有高比表面积的自支撑电极，这一问题尤为突出。尽管复杂的微纳结构可以暴露丰富的活性位点，但气泡在孔隙或阵列间隙中的滞留可能导致实际可接触的活性面积远小于表观结构面积。此外，气泡的周期性生长、聚并和脱离会在催化层上产生局部剪切应力和机械冲击，从而损害长期耐久性 [38]、[40]、[41]、[42]。因此，高性能水分解电极不仅需要高效的催化位点，还需要一个强健的三相反应界面，能够维持电解液供应、快速排出气体并保持结构完整性 [43]、[44]。

超亲水/水下超疏气界面为解决上述挑战提供了一种有效策略。在空气中，超亲水表面可促进电解液的快速铺展和渗透；而在水下，预先填充在微纳结构中的水相可形成稳定的液膜或水化屏障，防止气泡与固体表面建立广泛接触 [38]、[45]。基于杨氏方程、Wenzel 模型和 Cassie–Baxter 模型，表观润湿性可理解为本征表面能、表面粗糙度和液-气-固三相接触状态的共同结果。更具体地说，毛细驱动润湿、三相接触线离散化、接触角滞后减小和气泡黏附力减弱共同促进了气泡在更小尺寸和更短停留时间内的脱离。在本综述中，"超浸润界面"一词用作对上述超亲水/水下超疏气耦合界面状态的简明统称。这样的界面不仅是电催化活性之外的辅助特征，更是连接本征催化动力学、界面传质和高电流密度运行稳定性的关键桥梁 [46]、[47]、[48]、[49]、[50]。

近期的综述已从多个互补角度考察了水电解中的气泡相关现象，包括用于气泡管理的物理和化学表面工程、微纳结构电极上的气泡调控、气体气泡的成核-生长-聚并-脱离生命周期、原位表征和多相传输，以及相变传热与电化学产气之间的跨尺度关联 [38]、[40]、[51]、[52]、[53]。这些研究为理解产气对界面传输和能量效率的影响奠定了重要基础。然而，其分析对象通常是气泡动力学、通用产气界面或广泛适用的表面工程策略。针对镍泡沫基自支撑电极的聚焦综合论述仍然相对有限，特别是在如何将本征催化调控、分级架构、超亲水/水下超疏气润湿性、动态气泡行为和高电流密度下的传质稳定性整合到统一的跨材料框架内。

在此背景下，本综述聚焦于超亲水/水下超疏气镍泡沫基自支撑电极。由于其三维互连的导电骨架、开放孔隙、机械强度和多样的表面化学，镍泡沫能够在原位生长或衍生多种活性相，同时避免与聚合物粘结剂相关的附加界面电阻和活性位点遮蔽问题 [54]、[55]、[56]、[57]。因此，镍泡沫不仅作为导电支撑体，还为研究催化剂调控与动态演化的气-液-固界面在运行条件下的相互作用提供了通用平台。本综述并非重复气泡动力学的一般基础理论，而是聚焦于界面润湿和气泡介导的传输如何在不同镍泡沫基材料体系中体现，特别是在高电流密度运行下。我们首先概述润湿、毛细渗透、气泡黏附/脱离和气泡介导传质的物理基础，然后讨论代表性的硫化物/硒化物、磷化物、氧化物、氢氧化物、氮化物和金属合金。这一材料分类用于组织不同的化学体系，而非按照最低过电位对催化剂进行排名。特别关注将界面设计与动态活性位点可及性、传质行为、耐久性之间关联的证据，以及实验室高电流密度评估与实际相关电解之间的剩余差距。本综述的总体范围在图 1 中以示意图形式总结。

章节摘要

润湿性的基础理论

超亲水/水下超疏气表面的形成本质上源于表面化学成分、微纳米级粗糙度和液-气-固三相界面处界面能的耦合调控。对于理想的平滑、刚性和化学均一的固体表面，液滴在空气中的平衡接触角可由杨氏方程描述：$${\gamma }_{\mathrm{LV}}{\cos \theta }_{\mathrm{Y}}={\gamma }_{\mathrm{SV}}?{\gamma }_{\mathrm{SL}}$$其中 ${\theta }_{\mathrm{Y}}$ 为本征杨氏接触角，${\gamma }_{\mathrm{LV}}$、${\gamma }_{\mathrm{SV}}$ 和 ${\gamma }_{\mathrm{SL}}$

镍泡沫基自支撑电催化剂

尽管本节按材料化学进行组织，以清晰呈现不同活性相的组成特征和构建策略，但材料分类主要作为组织框架，而非最终的评价依据。在各类镍泡沫基自支撑电极中，讨论遵循统一的材料/电子结构-分级架构-界面润湿性-气泡

结论与展望

本综述表明，超亲水/水下超疏气镍泡沫基自支撑电极的性能受本征催化调控与动态演化的气-液-固界面之间的耦合所支配。尽管硫化物/硒化物、磷化物、氧化物、氢氧化物、氮化物和合金提供了不同的电子和结构优势，但所有这些材料家族在持续产气条件下都面临相同的界面要求：电解液

CRediT 作者贡献声明

李杰辉：可视化、数据整理。张颖：验证、数据整理。刘辉：可视化、验证、数据整理。刘清华：调查研究、形式分析。穆磊欢：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、可视化、形式分析、数据整理、概念构思。屈梦南：写作—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、经费获取、概念构思。谢晨娇：调查研究、形式分析。何金梅：

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：22401228）、陕西省科学技术厅（批准号：2024JC-JCQN-21，2024JC-YBMS-077）、陕西省教育厅（批准号：25JC060）和陕西省高校青年创新团队（批准号：24JP105，25JP108）的资金支持。

利益冲突声明

作者就本工作不存在需要披露的利益冲突。

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