电极界面气泡成核的双电层⁃传质耦合机制

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2025.03.008

石油化工高等学校学报 ›› 2025, Vol. 38 ›› Issue (3): 75-84.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2025.03.008

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电极界面气泡成核的双电层⁃传质耦合机制

胡佳旋¹^,²(), 郭常青¹^,²(), 王志达¹^,², 史言², 申丽莎², 黄宏宇¹^,², 闫常峰¹^,²()

^1.中国科学技术大学能源科学与技术学院，安徽合肥 230026
^2.中国科学院广州能源研究所，广东广州 510640

收稿日期:2025-04-03 修回日期:2025-05-14 出版日期:2025-06-26 发布日期:2025-07-02
通讯作者: 郭常青,闫常峰
作者简介:胡佳旋（2000⁃），男，硕士研究生，从事水电解电极表面微尺度传热传质研究；E⁃mail：Hu13230075110@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52276222);中国科学院国际合作计划项目(118GJHZ2022029MI);广州市科学与科技计划项目(202206050003);安徽省重点研究与开发项目(2023t07020022);广东省科技重大项目(220311085850132)

Coupling Mechanism of Electrical Double Layer and Mass Transport for Bubble Nucleation at Electrode Interfaces

Jiaxuan HU¹^,²(), Changqing GUO¹^,²(), Zhida WANG¹^,², Yan SHI², Lisha SHEN², Hongyu HUANG¹^,², Changfeng YAN¹^,²()

^1.School of Energy Science and Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei Anhui 230026，China
^2.Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou Guangdong 510640，China

Received:2025-04-03 Revised:2025-05-14 Published:2025-06-26 Online:2025-07-02
Contact: Changqing GUO, Changfeng YAN

摘要/Abstract

摘要：

在水电解过程中，“气泡效应”会显著降低系统的整体性能；经典成核理论（CNT模型）难以揭示实际电化学体系中双电层（EDL）、表面微结构和传质协同作用对成核动力学的调控机制。研究综合考虑离子迁移?扩散行为、电极表面纳微结构及浓度边界层对成核过程的协同调控机制，构建了双电层?传质?表面微结构协同作用的电极界面气泡成核模型。结果表明，EDL与微孔结构的协同作用会在表面微孔处产生显著的电位梯度，导致局部过饱和度升高，优先诱发气泡成核；在高过电位下，浓度边界层与成核能垒呈非线性关系，浓度边界层越薄，高电位的成核速率降低趋势越显著；气泡生长过程受三相接触线（TPCL）附近的净浓度通量控制，并呈现两阶段生长特征。研究结果为优化析气电极表面设计提供了理论依据。

关键词: 水电解, 双电层, 传质, 表面结构, 气泡成核

Abstract:

During the process of water electrolysis,the "bubble effect" will significantly reduce the overall performance of the system.The classical nucleation theory (CNT model） fails to reveal the regulatory mechanism of the electrical double layer (EDL),surface microstructure,and mass transfer synergy on nucleation kinetics in actual electrochemical systems.This study develops an electrode interface bubble nucleation model with the synergistic effect of electrical double layer?mass transfer?surface microstructure,considering the synergistic regulation mechanism of ion migration diffusion behavior,electrode surface nano microstructure,and concentration boundary layer on the nucleation process.The research results show that the synergistic effect of EDL and microporous structurel generates significant potential gradients at the surface micropores,leading to an increase in local supersaturation and prioritizing bubble nucleation.At high overpotentials,the effect of the concentration boundary layer on nucleation energy barrier exhibits a nonlinear relationship.The thinner the concentration boundary layer is,the more significant the decreasing trend of the nucleation rate at high potential will be.The growth of bubbles is dominated by the net concentration flux near the three?phase contact line (TPCL),exhibiting a two?stage growth characteristic.The study provides a theoretical basis for optimizing the surface design of gas evolution electrodes.

Key words: Water electrolysis, Electrical double layer, Mass transfer, Surface structure, Bubble nucleation

中图分类号:

TQ151

胡佳旋, 郭常青, 王志达, 史言, 申丽莎, 黄宏宇, 闫常峰. 电极界面气泡成核的双电层⁃传质耦合机制[J]. 石油化工高等学校学报, 2025, 38(3): 75-84.

Jiaxuan HU, Changqing GUO, Zhida WANG, Yan SHI, Lisha SHEN, Hongyu HUANG, Changfeng YAN. Coupling Mechanism of Electrical Double Layer and Mass Transport for Bubble Nucleation at Electrode Interfaces[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2025, 38(3): 75-84.

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图/表 10

表1 不同电极尺寸下的气泡成核相关参数

Table 1 Parameters related to bubble nucleation at different electrode sizes

气体种类	电极半径/nm	临界电流/nA	浓度/（mol·L^-1）	成核半径/nm	过饱和度	参考文献
氢气	4.1×10³	2.6×10³	0.218	5.1	217	[18]
氢气	4.1×10³	2.4×10³	0.137	8.1	170	[18]
氢气	4.1×10³	2.3×10³	0.157	7.1	195	[18]
氢气	27	21.0	0.200	5.8	249	[25]
氮气	6~90	10.0	0.110	9.0	160	[26]
氧气	4~80	5.7	0.170	11.0	130	[27]
氢气	7~41	35.0	0.240	5.0	289	[28]

图1 不同表面形成的气核示意图（a）理想表面（b） Wenzel表面（c） Cassie-Baxter表面

Fig.1 Schematic diagram of gas nuclei formed on different surfaces

图2 电极表面双电层模型示意图（a）电极表面气泡成核示意图（b）双电层放大示意图

Fig.2 Model of double electrical layer on electrode surface

表2 主要模型参数

Table 2 Main model parameters

参数	数值
T₀/K	293.15
$D N a +$ /(m²·s^-1)	2×10^-9
$D O H -$ /(m²·s^-1)	5×10^-9
$D O 2$ /(m²·s^-1)	2×10^-9
$c N a +, b u l k$ /(mol·L^-1)	0.1
$c O H -, b u l k$ /(mol·L^-1)	0.1
$K H$ (O $2$ )/(mmol·L^-1·Pa^-1)	1.3
$z N a +$	1
$z O H -$	-1
$F$ /(C·mol^-1)	96 485.3
$ε 0$ /(F·m^-1)	8.85×10^-12
$ε r$	78.5
$ν$ /(mm²·s^-1)	0.893
$r$ /nm	5

表2 主要模型参数

Table 2 Main model parameters

参数	数值
T₀/K	293.15
$D N a +$ /(m²·s^-1)	2×10^-9
$D O H -$ /(m²·s^-1)	5×10^-9
$D O 2$ /(m²·s^-1)	2×10^-9
$c N a +, b u l k$ /(mol·L^-1)	0.1
$c O H -, b u l k$ /(mol·L^-1)	0.1
$K H$ (O $2$ )/(mmol·L^-1·Pa^-1)	1.3
$z N a +$	1
$z O H -$	-1
$F$ /(C·mol^-1)	96 485.3
$ε 0$ /(F·m^-1)	8.85×10^-12
$ε r$	78.5
$ν$ /(mm²·s^-1)	0.893
$r$ /nm	5

图3 网格灵敏度分析结果

Fig.3 Grid sensitivity analysis result

图4 电极表面相关参数分布

Fig.4 Distribution map of relevant parameters on the electrode surface

图5 电极表面气体最大浓度饱和比和浓度饱和比分布

Fig.5 The maximum concentration saturation ratio and concentration saturation ratio distribution of the gas on the electrode surface

图6 电极半径和电流对电极表面氧气浓度分布的影响

Fig.6 The influence of electrode radius and current on the distribution of oxygen concentration on the electrode surface

图7 气泡生长示意图

Fig.7 Schematic diagram of bubble growth

图8 不同生长过程中电极表面的氧气浓度分布

Fig.8 The distribution of oxygen concentration on the electrode surface during different growth processes

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Coupling Mechanism of Electrical Double Layer and Mass Transport for Bubble Nucleation at Electrode Interfaces

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