徐卫林院士团队综述：水下超疏气析氢电极的表界面工程与气泡调控进展

Annan He, Fengxiang Chen*, Jun He, Xian Zhang, Shangzhen Xie, Na Yao*, Zhiguang Guo*, Weilin Xu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 352

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02198-5

图2. 析氢反应路径。(a)碱性或中性条件；(b)酸性条件。

图3. 超疏气电极改善析气反应的四类作用：降低过电位、调节气泡生长、强化传质与提高催化剂稳定性。

图4a通过单个氢气泡形成、脱离时的电阻与电流变化，揭示气泡可显著扰动局部电化学环境；图4b进一步比较不同疏气界面的气泡生长与离开模式，并显示气泡覆盖升高时，相关过电位会非线性增加。这将“及时排出气体”与“减少电压损失”直接联系起来。

结构与润湿性的改变可用于改善这一过程。图4c对比不同处理条件下CoₓP催化层的形貌、亲水性、极化曲线与Tafel斜率，说明界面充分接触电解液有利于催化表现。图4d则通过斜角沉积形成不同取向Ni纳米棒，以SEM、气泡接触角、极化曲线及质量活性共同展示几何结构调节的作用。两组案例提示，应把气泡覆盖、有效活性面积与材料本征活性结合起来分析过电位降低的来源。

图4. 气泡与过电位的关联。(a)单气泡电阻、电流响应；(b)气泡覆盖与过电位；(c)CoₓP润湿性及电化学表现；(d)Ni纳米棒结构、疏气性与质量活性。

图5a区分两类气泡生长模式：溶液充分过饱和时，溶解气体扩散可主导气泡增大；体相过饱和程度不足时，表面反应及气体直接供给的影响更突出。图5b进一步表明，生长动力学中的时间指数会随电极尺寸和气泡直径变化，因此不能用单一指数描述所有工作阶段。

图5c比较纳米阵列、光滑和纳米多孔Pt表面上的气体输运，纳米阵列可在气泡底部提供直接供气路径。与此相应，图5d的气泡直径—时间曲线及拟合指数显示，三类表面具有不同的生长行为。对超疏气电极而言，促进气泡完成生长并在较小尺寸下脱离，可缩短单个气泡占据活性位点的时间；关键在于生长与脱离的协调，而非单纯使气泡无限长大。

图5. 气泡生长模式与动力学。(a)扩散控制及表面反应控制；(b)尺寸对时间指数的影响；(c)不同Pt表面的供气路径；(d)直径变化及生长指数对比。

图6a归纳渗透、微对流和流体动力学三种模型，分别强调气泡脱离后的液体更新、气泡附近局部流动及群体气泡诱导的流场。图6b给出的颗粒轨迹和速度分布进一步显示，气泡生长能够在周围产生明显流动，使反应物补给与产物移除受到影响。

界面结构决定这些流动能否转化为有效传质。图6c比较平面和不同间距微阵列在析氧过程中的气泡释放，用作析气电极传质的对照案例；图6d则比较纳米片、球形和空腔阵列，说明开放孔道可减少气体堵塞并促进电解液进入内部。由此，气泡并非只有阻碍作用，合理的界面结构还可利用其运动形成局部更新，改善多相传输。

图6. 析气界面的传质过程。(a)三种传质模型；(b)生长气泡周围轨迹与速度；(c)微阵列析氧气泡释放对比；(d)不同结构中的电解液扩散与气体通道。

图7a以力学示意说明，当气泡黏附产生的作用超过催化剂与基底的结合能力时，气泡脱离可能带走催化颗粒。图7b对比Pt纳米阵列、纳米球与平膜的稳定性及测试前后形貌，图7c进一步比较不同CoS₂结构的脱钉扎、气泡释放和催化层损伤，均表明界面设计与长期活性保持密切相关。

图7d将这一认识拓展至可适应气泡运动的层状蕨叶状合金气凝胶。与无序结构相比，较有序的气泡通道可减少聚并与局部应力集中；电位响应、衰减区域统计及长期析氧测试后的空间分布共同反映出更好的稳定性。这一案例强调，降低气泡黏附力之外，还需要使排气路径与结构力学响应相互配合，特别是在大电流持续运行时。

图7. 气泡诱导损伤及结构稳定性。(a)催化剂脱落受力；(b)Pt形貌对照；(c)CoS₂结构与稳定性；(d)层状与无序蕨叶状合金气凝胶的气泡通道及耐久性。

图9. 面向析氢气泡管理的微纳米结构与亲水凝胶设计总览。

4.1 微结构阵列

图10a以MoS₂修饰的微针阵列为例，将几何形貌、气泡接触和分级电流稳定性联系起来，展示尖端及间隙对排气的帮助。图10b通过延长电泳沉积时间，使NiPₓ/Ti催化层形成表面微裂纹，结合气泡黏附与过电位比较，说明有序的裂隙可成为界面调节手段。

图10c将微棒骨架与NiMoSe@NiMoO₄异质结构结合，利用棒间空间维持电解液接触，并以润湿照片、过电位和Tafel分析评价其作用。图10d进一步在石墨烯/碳纳米管导电骨架上引入磷化物微球状结构，快速吸水与极化曲线体现多级纹理的协同作用。这些案例的共同点，是在保持可接近活性表面的同时，为气液两相留下连续通道。

图10. 简单微结构案例。(a)微针；(b)微裂纹；(c)微棒；(d)微球状复合结构的制备、润湿与析氢表现。

图11a保留天然木材的定向孔道，在孔壁构建导电与Ni–NiP催化层，使气体释放和电解液补给沿开放网络进行。图11b采用定向多孔碳膜，形貌、气泡尺寸、接触角及大电流稳定性共同展示直通流道的价值；图11c则以牺牲模板构筑Ni–Mo–B中空泡沫，连通孔隙与空心骨架结合，有助于在较高产气速率下释放气体。

在微花路线中，图11d将复合磷化物/氧化物微花的形貌与气泡尺寸分布相对应，并通过长时间运行考察耐久性；图11e展示在石墨烯/碳纳米管骨架上制备磷化物微花，利用快速浸润改善液体补给。复杂微结构能够同时提供承载骨架和输运空间，但孔穴过深或过密也可能滞留气体，设计时仍需兼顾孔道连通性。

图11. 复杂微结构案例。(a)木材定向孔道；(b)定向多孔碳膜；(c)中空Ni–Mo–B泡沫；(d)复合微花及长循环；(e)碳骨架负载磷化物微花。

4.2 纳米结构阵列

图12a比较NiMo颗粒结构及不同载体上的气泡黏附、释放尺寸与电化学表现，说明纳米颗粒的作用需要结合载体形貌分析。图12b先构筑碳化纤维网络再沉积NiFe颗粒，以连通支架支撑分散催化位点，气泡接触角与恒电流稳定性体现低黏附界面和连续导电网络的配合。

图12c进一步通过静电纺丝、碳化与后续负载，在碳纳米纤维上构建Pt@Co复合颗粒。形貌和润湿测试与极化、稳定性结果相互对应，展示零维活性单元可以借助纤维网络实现较高可达性。这里的设计重点既包括颗粒自身的活性，也包括颗粒间及支架中的排气空间，避免因聚集形成新的气体阻塞。

图12. 零维纳米颗粒电极。(a)NiMo颗粒与载体；(b)NiFe/碳纤维网络；(c)Pt@Co/碳纳米纤维的构筑与性能。

图13a在Ni₃S₂纳米棒上构建复合颗粒与异质界面，展示气泡释放尺寸减小，并以析氢及全解水曲线验证综合效果。图13b由NiMoO₄前驱体转化得到Ni/NiMoN纳米线，形貌、黏附力与极化曲线共同反映结构和成分变化的影响。

图13c采用聚苯乙烯模板形成带空腔的Co(OH)₂/NiMo阵列，为电解液进入和气泡离开提供通道；图13d通过前驱体逐步转化构筑FeCoNi基分级纳米管，结合气泡分布、接触角、黏附力及测试后形貌考察其稳定性。棒、线、孔和管各有几何优势，其共同目标是缩短气体滞留时间，同时保持连续的电子传输与液体浸润。

图13. 一维纳米结构。(a)复合纳米棒；(b)Ni/NiMoN纳米线；(c)模板构筑空腔阵列；(d)FeCoNi基分级纳米管。

图14a直接比较纳米片膜与平膜：结构化表面降低气泡黏附，并在极化与持续运行中表现出优势。图14b通过Mo单原子修饰的硫化物纳米片，进一步将局域催化位点调节与气泡低黏附界面结合起来，说明二维材料可以同时承担催化和润湿功能。

图14c以氮掺杂碳化钨纳米带为例，展示阵列制备、气泡尺寸和接触特征；其较小黏附力有助于微小气泡及时脱离。图14d则结合WS₂扭转带状结构与应变计算，呈现形变、接触角和析氢活性的关联。二维结构的价值不仅在于增加表面积，还包括通过边缘、柔性和局域应变共同调节反应与排气。

图14. 二维纳米结构。(a)纳米片与平膜对比；(b)单原子修饰硫化物纳米片；(c)氮掺杂碳化钨纳米带；(d)扭转WS₂结构及应变、润湿与活性。

图15a在微片上进一步构筑纳米线，把微米级开放通道和纳米级活性表面结合，并通过气泡连续释放及双电极运行评价其效果。图15b采用纳米线负载纳米片的磷化物结构，展示快速气泡离开与高电流响应。图15c则进一步利用低杨氏模量片层组装的WS₂三维超结构，观察受力变形与恢复，并将其与更小的气泡分布和大电流析氢表现联系起来。

图15d的纳米花通过局部曲率差异引导水进入结构，图15e则比较Pt纳米花、纳米球和平面电极的润湿、黏附及稳定性，说明多级结构能够减少气泡遮蔽并维持催化表面可达性。三维设计因此可以从单一静态纹理延伸至可形变、可恢复的排气结构，但仍需避免过度堆积造成传输阻力。

图15. 三维分级电极。(a)微片/纳米线；(b)纳米线/纳米片；(c)可变形WS₂超结构；(d)曲率引水纳米花；(e)Pt纳米花及对照。

4.3 亲水凝胶

图16a利用纤维素纳米纤维凝胶分散碳纳米管与MoS₂，将亲水网络、导电组分和催化颗粒结合；水滴快速浸润与较大气泡接触角表明，凝胶骨架可形成利于排气的水化界面。图16b采用M13噬菌体组装的水凝胶覆盖Pt表面，连通孔道允许反应物补给和气泡离开，气泡图像及电化学响应展示了薄层凝胶改性的效果。

图16c进一步在Pt包覆Ni箔上形成聚烯丙胺盐酸盐(PAH)水凝胶，开放孔结构与亲水性共同降低气泡黏附力；文献报道其气泡黏附力为6.87 μN，水下气泡接触角为154.61°，并获得约50 μm的平均脱离气泡尺寸。极化、稳定性和气泡分布对照显示，凝胶涂层具有界面调节潜力。不过，涂层厚度、交联密度及基底结合必须同时优化，以控制附加电荷转移阻力、传质阻力和溶胀剥离风险。

图16. 亲水凝胶电极。(a)凝胶复合骨架；(b)M13噬菌体组装水凝胶涂层；(c)聚烯丙胺盐酸盐(PAH)水凝胶的孔结构、黏附力与析氢表现。