氢气被视为未来清洁能源体系中的关键一环，但一个看似微小的问题长期制约着其大规模应用：气泡。在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）期刊发表的一项研究中，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）跨学科团队与 TotalEnergies 及洛桑联邦理工学院（EPFL）合作，提出了一种通过电极结构设计提升绿色氢气生产效率的新方法。

研究团队将目光集中在电解槽的优化上。电解槽利用电能将水分解为氢气和氧气，当电力来自可再生能源时，产物被称为“绿色氢气”。然而，在工业规模应用中，电解槽一直面临一个关键瓶颈：运行过程中生成的氢气泡会在多孔电极内部积聚，堵塞活性位点，并在高电流密度下严重限制物质传输。

UNSW 土木与环境工程学院团队负责人 Peyman Mostaghimi 教授指出，通过水电解制备绿色氢气，对钢铁制造、重型运输等难以脱碳的行业尤为重要。但在电解过程中，氢气泡会在多孔电极表面和内部不断生成并堆积，从而阻碍反应位点的有效利用。

Mostaghimi 教授表示：“我们发现，多孔电极的几何形状和内部结构与电化学反应本身同样关键。如果结构设计合理，就能显著减少气泡堵塞，从而大幅提升系统效率。”

X 射线“透视”多孔电极

为弄清气泡在多孔结构中的真实行为，团队将 X 射线成像与数值模拟相结合，对电极内部进行“透视”。这种方法使他们能够在不拆解电池的前提下，实时观察电解过程中气泡的生成、增长和积聚情况，获得前所未有的细节信息。

“如果要在大规模上生产绿色氢气，首先必须确保其在经济上可行。当前行业面临的核心挑战之一，就是物质传输受限。”Mostaghimi 教授解释道。

他补充说：“在水分解过程中，我们观察到微小的氢气和氧气泡会被困在电极内部，堵塞反应位点，减缓水和离子的流动，等于让催化剂得不到持续供应的新鲜水。”

通过对多孔材料结构的系统研究，团队发现，高度有序且孔径分布均匀的孔隙结构，能够最大程度减少气体滞留。这一结果表明，孔隙结构与气体滞留之间存在直接关联，为制造商通过结构设计提升电解槽性能提供了明确方向。

这项研究也是首次将原位同步辐射成像与先进的孔隙尺度数值模拟方法结合，用于可视化电解过程中氢气泡的形成、长大和聚集过程。

UNSW 土木与环境工程学院联合研究员 Ryan Armstrong 教授指出：“此前，科学家们无法像现在这样清晰地看到电极内部到底发生了什么。借助这些先进技术，我们得以直观地捕捉气泡在多孔电极中的动态行为。”

来自 UNSW 矿产与能源资源工程学院、负责流动模拟与分析的王颖达博士表示：“我们的工作表明，物质传输的限制从根本上与电极结构相关，而不仅仅取决于催化剂的活性。”

UNSW 化学学院负责电化学研究的 Quentin Meyer 博士与赵川教授补充说：“通过结合实时成像、先进的两相流模拟以及性能测试，我们现在能够清楚地理解氢气泡的积聚如何影响水电解过程中的整体性能。”

下一步研究方向

目前，研究团队正将研究范围从电解槽本身扩展到更完整的绿色氢气价值链，包括生产、运输以及在地下多孔储层中的大规模储存，并对其进行技术经济评估。

“清洁氢能经济的实现，依赖于整个链条中每一个环节都能正确运转。”Mostaghimi 教授表示。

“通过同时考察生产、运输和地下储存，我们可以向政策制定者和行业界展示哪些方案在现实中可行，以及它们对应的成本区间，从而为未来的氢能基础设施规划提供依据。”