高电流析氧反应（OER）为何需要具有超亲水特性的自支撑电极？优化电解

具有特殊表面性质的自支撑电极至关重要，它们通过管理气体积聚来维持高电流运行期间的效率。在高电流密度析氧反应（OER）中，氧气气泡产生速度极快，以至于它们会覆盖电极，阻碍反应。超亲水（亲水）和超疏气（斥气）结构迫使这些气泡立即脱离，保持活性位点暴露，并防止机械故障。

高电流析氧反应的核心挑战不仅在于产生氧气，还在于在氧气形成“气泡屏蔽”阻碍电解质之前将其移除。通过工程化表面来固有地排斥气体并吸引水，可以确保快速排出气泡，从而解决此问题，保持催化活性和结构完整性。

OER 中气体管理的物理学

气泡屏蔽效应

在高电流密度下，产生的氧气量巨大，形成了物理屏障。气泡附着在电极表面，覆盖了催化活性位点。

这种现象被称为气泡屏蔽效应，它阻止了液态电解质接触催化剂。在反应物和催化剂之间没有接触的情况下，尽管能量输入很高，反应速率也会急剧下降。

机械不稳定性

除了效率损失外，被困的气体会对电极产生机械应力。强烈附着的巨大气泡会对催化剂层施加压力。

最终，这种应力会导致催化剂脱落，即活性材料从基底上物理剥离。这会导致不可逆的降解，并缩短设备的使用寿命。

表面工程如何解决问题

超亲水性的作用

超亲水性确保电极表面对电解质（水）具有极强的亲和力。这使得液体能够快速渗透到电极的微纳米结构中。

通过确保表面保持充分润湿，电解质与活性位点保持持续接触。这可以防止产生“干燥”区域，否则这些区域可能会积聚气体并阻碍反应。

超疏气性的作用

超疏气性意味着表面会物理排斥气泡。在这些表面上形成的气泡不会粘附并变大，而是变得不稳定。

这迫使气泡在仍然很小的时候就迅速脱离。通过立即排出气体，表面最大限度地减少了活性位点的阻塞，并消除了导致催化剂脱落的压力积聚。

理解权衡

制造复杂性

实现这些精确的润湿性能需要工程化特定的微纳米结构。与标准平板电极相比，这增加了制造过程的复杂性。

结构耐久性

这些电极的优点完全取决于表面的物理纹理。如果微纳米结构随着时间的推移而侵蚀或损坏，超亲水和超疏气效应将减弱，导致气泡屏蔽问题再次出现。

为您的目标做出正确的选择

为了最大限度地提高电解系统性能，请考虑以下具体优先事项：

• 如果您的主要重点是高电流密度：优先考虑超疏气结构，以减小气泡半径并最大化电解质的可及表面积。
• 如果您的主要重点是长期稳定性：使用自支撑电极，以防止因气体压力引起的催化剂层机械脱落。

掌握气体、液体和固体之间的物理界面，与为工业规模电解选择合适的催化剂材料同等重要。

总结表：

特性	超亲水性	超疏气性
核心功能	吸引电解质（水）	排斥气泡（氧气）
对 OER 的益处	确保活性位点持续润湿	迫使气泡快速脱离
防止	“干燥点”和反应阻塞	气泡屏蔽和机械应力
影响	最大化反应速率	延长催化剂寿命

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参考文献

1. Yu Zhang, Yuen Wu. New perspective crosslinking electrochemistry and other research fields: beyond electrochemical reactors. DOI: 10.1039/d3sc06983d

本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .