一、 活化极化、浓差极化与气泡效应
活化极化主要与反应的活化能垒有关，提高反应温度、增加活性位点数量等可以有效降低活化过电位。在大电流密度下，活化极化主要来源于气泡在催化剂表面上附着导致有效活性面积减少，或称为“屏蔽效应”。浓差极化来源于电极表面与体相反应物浓度（水）的差异。气泡在催化层表面聚集会堵塞孔隙，导致电极表面局部“水干涸”，加重浓差极化。此外，“水干涸”区域的膜由于不能得到充分润湿，会发生干燥和收缩，并产生巨大的欧姆电阻与严重的局域热效应（RSC Adv., 5, 14506 (2015)., Hydrogen, 4, 556 (2023).）。因此，为减少气泡效应产生的上述负面效应，应诱导气泡的快速解吸。
二、 气泡的成核、生长与脱附
如图1所示，气泡的生命周期包括成核、生长（聚集）、脱附。电化学反应产生的气体（如O2、H2）在电极表面部分区域的饱和度达到一定程度后，气体分子克服能量壁垒从液体中析出吸附在电极表面，形成纳米尺寸的气泡核，气泡核生长到临界尺寸后从固体表面脱附。成核能垒低的区域，如缺陷、杂质、特殊的纳米结构等，是气泡优先成核的场所。气固、液固的界面性质影响气体分子的吸附与聚集，对于电解水制氢反应体系来说，疏水电极有利于气泡成核，亲水电极可能会抑制气泡成核。
图1. 气泡的成核、生长(聚集)与脱附过程（Energy Reviews 2 (2023) 100015）
图2. 气泡的被动式排出策略（a）PTL微结构优化（Electrochim. Acta, 316, 43 (2019).），（b）-（c）超亲水纳米结构（Adv. Mater. 26 (17) (2014) 2683-2687, J. Electroanal. Chem. 829 (2018) 194-207）
三、 气泡的高效排出策略
理想状态下，气泡应以小尺寸快速从电极表面脱附，然而在大电流密度下，气泡的形成速率往往大于其脱附速率，导致催化层表面覆盖气泡膜。气泡的高效排出策略主要有主动式和被动式两种。主动策略引入外力主动排出气泡，随着外加场强的增加，可适用于电解水制氢电解槽等大电流工作场景。被动策略则不需引入外场辅助，仅从材料设计的角度抑制气泡的形成，包括多孔传输层（PTL）与催化层（CL）的孔径、孔隙率、亲疏水性、表面形貌等。以下为常见的被动式气泡排出策略。
1. 平衡PTL孔径与结构：虽然大孔有利于气体的快速排出，但过大的孔径会导致PTL与催化层的接触电阻增加，并可能导致孔隙内部的局部干燥。如图2a所示，在孔隙率恒定的情况下，较小的孔径（如101μm）表现出更低的电池电压。这表明优化微孔结构能充分平衡水分的吸入与气体的排出。
2. 超亲水催化层构筑：亲水表面促使气泡以较小的尺寸迅速脱离催化层，而疏水表面则导致大气泡粘附并横向生长，增加了“屏蔽效应”风险。垂直的锥形阵列、纳米片、纳米花等具有超亲水的特性（Applied Energy 401 (2025) 126808），并且可以中断气泡与催化剂表面的界面，从而有效减小气泡的脱附半径。
3. 其他策略：(1）牺牲位点策略。在电极表面构建“疏水岛”，当气体到达超饱和状态时，优先在疏水岛成核，从而保护活性位点，目前处于实验室阶段；（2）表面活性剂改性。在电解液中添加表面活性剂改变气泡的表面张力，从而影响其生长与脱附过程。表面活性剂在电化学反应中的演化机制需要进一步揭示，目前还处于研究的初级阶段。
