《Energy Conversion and Management》：Water-electrolysis hydrogen production model incorporating electrode wettability
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本研究针对碱性水电解槽模型忽略电极润湿性影响的问题，提出引入接触角参数的改进极化模型，通过微纳米加工调控电极润湿性并验证模型，发现亲水性增强可加速气泡脱离并降低覆盖率和尺寸，模型能有效描述极化行为。
孙帅|华伟|李月英|李炳生|金福宝|陈来军|司阳|蔡庆元|高梦宇
青海大学能源与电气工程学院，中国青海省西宁市810016
摘要
碱性水电解（AWE）是大规模生产氢气的关键技术；然而，电极表面的气泡滞留严重阻碍了电解过程。传统的碱性电解槽数学模型常常忽略这一效应，特别是没有定量考虑电极润湿性这一关键界面参数，导致模型预测与实验结果之间存在明显偏差。为了解决这一限制，提出了一种改进的极化模型，该模型将润湿性效应纳入考虑，通过引入接触角这一显式变量来描述润湿性如何调节气泡覆盖情况以及由此导致的局部有效电解质导电性的变化，从而影响极化行为。为了验证所提模型的合理性，使用双光子光刻技术制备了具有可调润湿性的规则微柱阵列电极。在催化活性面积标准化的条件下，通过电化学表征和气泡可视化实验验证了该模型。结果表明，提高表面亲水性可以加速气泡脱离，并显著减小脱离尺寸和表面覆盖率。重要的是，在消除了催化面积的影响后，改进模型成功描述了不同润湿状态下的实验观察到的极化趋势。本研究建立了一个物理框架，通过结合润湿性参数来描述在可控表面积条件下的气泡诱导极化行为，为构建和评估考虑不同电极结构和操作条件下的润湿性效应的极化模型提供了参考。
引言
氢作为一种清洁高效的可再生能源载体，被广泛认为是实现全球气候变化和能源转型背景下碳中和的关键途径。根据国际能源机构的报告，到2050年，每年大约需要5.2亿吨低碳氢来支持未来能源系统的深度脱碳[1]。氢——尤其是低碳氢——将在未来的能源结构中发挥不可或缺的作用，成为能源存储、运输和工业等领域的重要替代品[2]、[3]。近年来，水电解作为最清洁的氢生产方式，受到了工业界和学术界的广泛关注[4]、[5]、[6]、[7]。特别是随着可再生能源安装的迅速扩张，利用原本受限的电力进行电解不仅降低了氢的生产成本，还实现了清洁能源的存储[8]、[9]、[10]。这使得水电解成为最具前景的可持续能源存储载体之一[11]、[12]。
目前，基于水电解的氢生产系统建模主要包含电解槽、热交换器、气液分离器和氢氧纯化单元的数学模型[13]、[14]。作为水电解的核心单元，电解槽是决定系统模型整体准确性的关键组成部分[15]、[16]。传统的电解槽模型通常基于水的热力学分解，其中外部能量输入驱动水分子直接分解为相应的氢气和氧气[17]。然而，电解过程中的气泡生成涉及固体（电极）、液体（电解质）和气体（氢气）三个相的相互作用，而气泡的脱离与电极表面状态密切相关[18]、[19]、[20]。生成的气泡不会立即从电极表面脱离；相反，它们的附着会阻塞催化活性位点并阻碍电解质的传质，从而降低电解效率。这种现象在高电流密度条件下尤为明显，尤其是在工业规模上，此时会快速产生大量气泡。如果这些气泡不能及时脱离，它们会形成“气泡屏障”，引入额外的欧姆电阻和活化能障碍，显著降低电解性能[21]、[22]、[23]。
研究表明，随着电解电流的增加，限制性能的主要因素从催化剂的固有活性转变为生成气泡的特性[24]。近年来，越来越多的研究关注气泡特性对电解性能的影响。例如，Iwata等人[25]实验研究了电解过程中生成的气泡的形态特征，并建立了气泡覆盖率与电解电压之间的定量关系。He等人[26]在Zn–空气电池系统中开发了一个模型，将接触角与活化过电位相关联。此外，Deng等人[27]回顾了2025年碱性水电解中的气泡动态，并指出气泡行为是控制电解槽性能的关键因素，强调构建超疏水电极是促进高效气泡脱离的重要研究方向。由于确定电极表面的气泡覆盖率通常需要原位观察，因此建立接触角与电解性能之间的直接关系是可取的。然而，电极的接触角往往与催化活性面积的变化相关联。因此，在排除催化面积影响的情况下，如何准确建立接触角与整体电池电压（
在这项研究中，采用微纳制造技术通过系统调整几何参数来控制电极接触角，从而能够研究接触角对活化过电位（
部分内容
水电解模型的局限性
为了简化分析，传统的碱性水电解模型通常通过将电池电压分解为各种过电位来理想化极化过程，包括由Butler-Volmer方程描述的电极活化过电位和通过欧姆定律计算的欧姆电位降。在这些经典模型中，假设气泡在形成后立即从电极表面脱离，并且电解质的导电性保持恒定[28]。然而，
考虑电极表面接触角的电解槽模型优化
根据Wenzel理论，可以通过调整微纳尺度表面形态来调整材料的润湿性（详见补充说明1）。在本工作中，接触角特指在水蒸气中测量的水滴在固体电极表面的静态水接触角（），它表征了电极对水的润湿性。电极对水环境中气泡的润湿性与
仿真结果与讨论
为了定量阐明接触角对气泡动态和电解性能的影响，基于改进的电解槽模型进行了系统仿真。在AWE系统中，会发生电化学反应，总电池电压由可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和浓度过电位之和决定，如下所示：
这里，表示可逆电压，
结论
本研究指出了传统数学模型在准确描述电极润湿性对极化行为影响方面的局限性。提出了一种考虑电极润湿性的改进极化模型，并讨论了该模型的适用条件。通过引入电极接触角作为关键参数，探讨了其对活化过电位（）、欧姆过电位（）和质量传输的影响
CRediT作者贡献声明
孙帅：撰写——原始草稿、可视化、验证、研究、形式分析。华伟：研究。李月英：资源提供、研究。李炳生：资源提供、研究。金福宝：资源提供、研究。陈来军：资源提供、研究。司阳：资源提供、研究。蔡庆元：资源提供、研究。高梦宇：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：U22A2022062275256）和青海省科技厅（编号：2025-GX-C03）的资助。
