港理工/上交大《自然·通讯》：实现工业级电解水技术核心：气泡动力学

第一作者：武立振

通讯作者：闫晓晖*，安亮*

单位：上海交通大学，香港理工大学

碱性阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）是实现绿色制氢的关键技术，但在工业级高电流密度（>1.0 A cm^-2）下，其性能与寿命面临严峻挑战。传统研究集中于提升电极的电化学活性面积（ECSA），然而，在高产气速率下，气泡动力学对传质和界面的影响日益凸显，常被忽视。阳极产生的氧气气泡会覆盖活性位点、阻碍水跨膜扩散并导致阴极缺水，严重制约效率与稳定性。因此，探究并管理气泡行为，是与优化ECSA同等重要的电极设计新维度。

近日，来自香港理工大学的安亮教授团队与上海交通大学的闫晓晖教授团队合作，在国际顶级期刊Nature Communications上发表题为“Bubble dynamics matters at high-rate water electrolysis”的研究论文。该工作首次系统揭示了在高电流密度AEMWE中，气泡动力学是关键的性能主导因素。研究团队通过调控不锈钢电极的孔径与表面亲水性，阐明了气泡影响传质的三重机制，并创新性地提出了一种低成本、易制备的梯度不锈钢方孔网格电极。该设计显著优化了气泡排出与水传输，在5.0 A cm^-2下将电池电压降低0.14 V，并稳定运行超过400小时，为工业级水电解电极工程设计提供了颠覆性的新思路。

研究明确指出，阳极气泡积累通过三种相互关联的方式恶化AEMWE性能：(1) 覆盖阳极活性位点，增加活化与传质过电位；(2) 阻碍水通过膜的扩散，增加欧姆过电位；(3) 导致阴极缺水，加剧阴极反应物供应不足。这意味着，单纯追求高ECSA而忽视气泡管理，将无法在高电流密度下获得理想性能。

通过对比不同孔径（5-50 μm）的不锈钢毡电极，研究发现较小的孔径（5 μm）有利于减小气泡尺寸和改善界面接触，但可能限制气泡排出；而适中的孔径（10 μm）更利于气泡快速脱除，能补偿其相对较低的ECSA，从而获得更优的综合性能。此外，通过酸洗处理增强电极表面亲水性，可使气泡尺寸减小20%，数量密度增加33%，显著优化传质，即使其ECSA更低，整体性能仍大幅提升。

基于上述机制，研究团队提出了一种双层梯度不锈钢方孔网格电极（外层稀疏：60目；内层致密：200目）。这一设计的巧妙之处在于：外层大孔利于气泡快速排出，内层小孔则促进水的毛细传输并维持较小的气泡尺寸。该电极实现了气泡脱离电极的数量增至2倍，平均气泡直径减小24%，阴极收集到的跨膜的水含量显著增加。

梯度网格电极在5.0 A cm^-2下实现了电压降低0.14 V，并在1.0 A cm^-2下稳定运行400小时（衰减率仅0.035 mV h^-1）。最重要的是，其原材料（316L不锈钢）网格电极成本极低，约为8–150美元/平方米，相比传统的IrO₂电极（>111,000美元/平方米），阳极制造成本降低了99.86%，展现出巨大的产业化应用潜力。

Bubble dynamics matters at high-rate water electrolysis

安亮教授（Liang An）教授简介：香港理工大学机械工程学系副教授。长期致力于燃料电池、水电解制氢、可持续能源系统等领域的应用基础研究，在电极设计、两相流管理及器件集成优化方面取得多项创新成果。在Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew. 等国际顶级期刊上发表多篇学术论文。闫晓辉教授（Xiaohui Yan）教授简介：上海交通大学机械工程学院燃料电池研究所副教授。主要研究方向为燃料电池与电解池电极关键材料、器件设计与系统集成。在高效、长寿命电化学能源器件的设计、制备与机理研究方面成果显著，相关成果发表于Joule, Nat. Commun., ACS Energy Lett.等知名期刊。

武立振，香港理工大学博士生，来自安亮老师课题组，硕士期间在天津大学焦魁老师课题组做PEMWE的三维数值模拟，现在博士期间主要做AEMWE的光学可视化和电化学性能测试。