《Joule》：A multiscale fluid dynamics perspective on bubble management in water electrolysis
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水电解制氢的气泡动力学研究揭示气泡演化对能量效率的关键影响，通过跨学科方法（流体动力学与电化学结合）及在位表征技术，提出脉冲电解、AI优化和新型反应器结构等策略以降低气泡导致的能量损失，为高效电化学系统开发提供新方向。
Darjan Podbev?ek | Miguel A. Modestino
化学与生物分子工程系，纽约大学坦登工程学院，6 Metrotech Center，布鲁克林，纽约州，NY 11201，美国
摘要
水电解制氢传统上主要集中在催化剂开发和材料优化上，然而气泡动力学——这一气体释放反应的固有特性——却是一个被严重忽视的瓶颈，它可能导致显著的效率损失。随着电化学制氢规模扩大以满足脱碳目标，由气泡引起的各种问题，包括增加的欧姆电阻、活性位点的堵塞以及质量传输限制，已成为关键的工程挑战。本文从流体力学的角度探讨了水电解器中的气泡演化过程，将基本的单个气泡物理现象与反应器规模的多相流动联系起来。我们综合了纳米气泡形成、脱离动力学和聚合行为的最新研究进展，强调了跨学科方法和原位表征在揭示电极处气泡行为复杂规律方面的作用。文中还讨论了新的气泡管理策略，包括脉冲电解、人工智能（AI）辅助优化以及新型反应器设计。通过将微观尺度的气泡现象与宏观尺度的电解器性能联系起来，本文旨在指导更高效、基于流体工程的电化学系统的开发。
引言
电解制氢是最为人所熟知的气体释放电解反应之一，它有潜力帮助经济中的多个领域实现脱碳，从交通运输到工业生产。在标准条件（25°C，1巴）下，液态水电解需要1.48伏的电位才能达到热中性电压，这意味着每生产1千克氢气（H2）至少需要39.4千瓦时的能量。1在工业过程中，水电解通常在强酸性（质子交换膜[PEM]）或强碱性（碱性水电解[AWE]）条件下进行（图1A），这些条件提高了离子导电性，增强了反应动力学，并影响了气泡的演化。尽管在过去几十年中水电解技术有了显著发展，设备复杂性也有所增加（详见之前的综述文章2），但电解槽的基本组成部分仍然如图1B所示。电解槽包括发生电化学反应的阴极和阳极、电解质介质以及用于防止爆炸性气体混合并减少操作过程中离子电阻的隔膜（图1C）。图1D展示了两种不同的电解槽设计：一种侧重于气泡管理，另一种侧重于降低欧姆损耗。新兴的设计，如无隔膜电解槽，虽然减少了资本支出和运营成本，但增加了产物气体混合的风险3；然而，大多数现代工业系统仍然依赖包含隔膜的成熟设计（图1C），以减少欧姆损耗（图1D）。
随着AWE和PEM电解槽中的电流密度持续升高，这些设备的能量损失越来越多地受到气泡相关过程的影响4。许多研究致力于改进电极/催化剂材料5,6,7以及分离技术8,9，同时深入理解电解质10、电极11与杂质8之间的相互作用，例如催化剂表面的水约束12,13,14,15,16,17,18。然而，关于优化电解质流动和腔室几何形状以管理气泡的研究相对较少19,20，这凸显了将流体力学与电化学工程研究相结合以减轻气泡引起的能量损失的机会。在这篇综述中，我们简要概述了电解系统中气泡演化现象的当前认知水平以及最近为减少能量损失所取得的进展，并强调了流体力学与电化学交叉领域中的未解问题和未来研究方向，特别关注作为主流工业电解技术的AWE技术。
章节片段
气泡的代价：量化损失与管理策略
除了电解槽本身的固有电阻外，气体释放反应还会受到气泡产生的动态电阻的影响。这些损失或过电位（OPs）是指超过电化学反应所需热力学最小电位的额外电位（图2A）。直接影响电极过程的气泡相关损失通常被归类为活化过电位（A-OP）、欧姆过电位（O-OP）等。
单个气泡动力学：基本力和机制
如图3所示，描述了导致气泡形成的电解质过饱和状态、气体扩散、产物/反应物消耗以及气泡生长过程的理论框架（图3A，I和II）；随后是脱离引起的混合、电解质补充（图3A，III和3B）、由于气泡屏蔽造成的局部梯度（图3A，V）以及聚合（图3C）事件，这些都与之前研究的气泡引起的过电位（图2A和2B）相关。
多气泡流动：模型研究与实际电解器操作的结合
单个气泡的电极实验可以为瞬态气泡动力学提供宝贵的见解，但它们与实际电解器的相关性有限，因为这些受控条件很少能再现实际操作条件及其复杂的多相流动模式。在AWE中，气泡引起的过电位研究主要集中在阴极（HER），因为那里的气泡演化更为剧烈，产生的气泡平均体积较小且分布范围更广，从而导致更多的...
表征方法：可视化和量化气泡动力学
将气泡动力学与电化学性能联系起来需要综合的表征方法，结合光学可视化技术和电化学测量。图4A展示了一种用于多气泡流动表征的基本电化学装置，具体可视化技术和电化学方法在S6节中有详细说明。在流体力学研究中，采用了多种可视化技术来追踪流体运动或分类两相流动。
脉冲电解：气泡演化的动态控制
迄今为止的讨论主要集中在直流（DC）条件下的电解槽操作上；然而，动态操作提供了暂时分离气泡演化过程并提高效率的机会。在充电、放电和工作阶段，脉冲电位或电流会在电容电流和法拉第电流之间引入动态交互作用（图5A），这些过程由脉冲参数控制，如作用/休息时间、频率、幅度和波形（图5B）。
新兴研究机会和未来方向
除了前面讨论的AI辅助表征和脉冲操作外，还有几个新兴的研究方向值得关注，以推进气体释放电化学系统中气泡的管理（详细讨论见S7节）。
致谢
本材料基于美国能源部能源效率与可再生能源办公室（EERE）下属的氢能与燃料电池技术办公室（HFTO）提供的支持，奖项编号为DE-EE0011324。我们还要感谢纽约大学坦登工程学院的慷慨财政支持。作者还要感谢NYU的Ricardo Mathison以及W. L. Gore & Associates, Inc.的Andy Holliday和Ryan Kenaley提供的有益讨论。本报告的完成...
作者贡献
概念构思：D.P.和M.A.M.；撰写：D.P.和M.A.M.；初稿撰写：D.P.；审稿和编辑：D.P.和M.A.M.；资金获取：M.A.M.；监督：M.A.M.
利益声明
M.A.M.是Sunthetics, Inc.的联合创始人，并在该公司的机器学习优化领域持有财务利益。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明
在准备本稿时，作者使用了Claude Sonnet 4.5和Perplexity AI（2025）工具进行校对。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
