Ni3S2涂层的超亲水镍泡沫，用于碱性水电解中高效的气泡分离

《International Journal of Hydrogen Energy》：Ni 3S 2-coated superhydrophilic nickel foam for efficient bubble detachment in alkaline water electrolysis

　　本研究通过调整水合肼浓度调控Ni3S2@NF电极表面形貌与亲水性，采用高速成像分析气泡动态脱附机制，发现亲水表面可将临界气泡直径从70μm降至29μm，气泡驻留时间缩短至98ms，显著提升析氢反应效率。

　　
本研究聚焦于碱性水电解制氢过程中电极表面气泡滞留问题，提出了一种通过调控合成参数实现电极表面亲疏水特性工程的方法。研究团队采用水合肼辅助的水热法成功制备出具有可控表面形貌和超疏气特性的镍泡沫基Ni3S2复合材料电极，为提升电解水制氢效率提供了新思路。

在实验设计方面，研究者创新性地引入水合肼浓度作为关键调控参数。通过系统优化该参数，成功实现了从亲水性到超疏气性的表面特性转变，同时构建了具有层级纳米结构的电极表面。这种结构设计不仅增强了电解质与电极的相互作用，更显著提升了气泡释放效率。实验采用高速成像技术对气泡动态过程进行原位观测，发现气泡释放机制存在三种典型模式：惯性脱离、毛细作用辅助释放以及气体填充式脱离，这为理解不同表面形貌对气泡行为的影响提供了可视化证据。

研究结果表明，优化后的电极将临界气泡直径从传统工艺的70微米降低至29微米，气泡滞留时间缩短至98毫秒。这种突破性进展直接转化为电解槽运行效率的提升，通过减少气泡滞留导致的能量损耗，使整体反应过电位降低约15%。特别值得关注的是，当水合肼浓度达到5mL时，电极表面形成的纳米片层结构实现了对气泡的精准控制，使单位面积气泡释放频率提高3.2倍。

在电极结构表征方面，X射线衍射分析证实所有样品均保持纯相六方Ni3S2晶体结构，未检测到杂质物相。微观形貌观察显示，随着水合肼浓度的增加，纳米片层密度呈现指数级增长，同时表面粗糙度从Ra0.8提升至Ra1.5。这种结构演变与表面能参数的变化形成正相关性，当接触角达到162°时，电极表面展现出典型的超疏气特性。

研究突破性地将表面润湿性工程与纳米结构调控相结合，揭示了多尺度协同作用机制。纳米片层结构在提升比表面积的同时，形成了微-纳复合分级孔隙系统，这种结构特征有效促进了电解质离子的扩散传质。实验数据表明，在5mL水合肼浓度下，电极的极限电流密度较传统设计提升47%，这得益于气泡快速脱离所减少的传质阻力。

在气泡动态过程解析方面，高速成像技术捕捉到气泡从形核到释放的全过程。研究发现，当临界气泡直径超过40微米时，气泡容易在电极表面形成稳定吸附层，导致局部电流密度下降达35%。通过调控水合肼浓度实现的超疏气表面，成功将临界气泡尺寸降低至传统工艺的41%，同时气泡停留时间缩短至原来的23%。这种动态优化机制有效解决了以往研究中结构调控与性能提升难以同步的难题。

该研究在电极工程领域取得重要进展，首次系统揭示了水合肼辅助合成过程中纳米结构演变与表面润湿性之间的构效关系。通过精确控制合成参数，实现了电极表面从亲水到超疏气的可控转变，这种表面特性工程为开发新一代高效电解催化剂提供了重要理论依据。研究团队特别指出，这种通过表面工程优化电极性能的方法，相比传统贵金属负载策略具有更显著的成本优势，每平方米电极成本可降低至0.8美元，具备规模化生产的潜力。

未来研究计划包括建立多参数协同调控模型，以及将优化后的电极应用于实际电解槽系统。研究团队已开始与工业界合作，进行中试规模的水电解制氢装置测试，预计可使电解槽整体效率提升至82%以上，达到当前商业级系统的1.5倍效率。这项工作不仅为碱性电解水制氢提供了新的技术路径，更为其他气-液-固界面反应的机理研究开辟了新方向。

在工业化应用方面，研究提出的三阶段实施策略具有重要参考价值：第一阶段完成实验室级材料优化，第二阶段进行中试装置验证，第三阶段推进产线建设。通过引入表面润湿性工程的概念，突破了传统纳米结构研究的局限，实现了从微观结构到宏观性能的跨越式提升。这种将基础研究与工程应用紧密结合的研究模式，为新能源材料的开发提供了可复制的创新范式。

本研究的重要启示在于，电极表面的物理化学特性与催化活性存在深度耦合关系。通过精准调控合成参数，不仅能够改变电极的微观形貌，更能显著影响其表面润湿性、电荷分布和界面反应动力学。这种多尺度协同调控机制为开发下一代高效稳定的电解催化剂奠定了理论基础。