电化学析氢纳米气泡的隐式成核与竞争性动力学

电化学析出的气体纳米气泡强烈影响电化学能量转换系统的性能，然而由于现有实验和计算方法的局限性，其成核与早期演化仍缺乏深入理解。Operando 成像缺乏捕捉成核事件所需的时间分辨率，而分子动力学模拟则局限于最多包含几个气泡的纳米尺度域。在此，我们开发了一种热力学一致的相场框架，在单一连续介质描述中统一了溶解气体输运、曲率依赖的界面热力学和隐式气泡成核。以电催化过程中的氢纳米气泡形成为典型测试案例，该模型无需预设晶核即可捕捉成核过程，解析了曲率效应下的扩散控制生长，并且在氢溶解度极低的情况下仍保持计算上的可处理性。模拟揭示了当局部过饱和度超过阈值时纳米气泡如何发生成核，从而引发化学势场的重组，将溶解气体聚焦至新生气泡。在多催化剂系统中，重叠的扩散场导致强烈的气泡间相互作用，包括竞争性生长、Ostwald 熟化和源遮挡。将该框架扩展至分散催化剂群体表明，纳米气泡的存活不仅受催化剂尺寸控制，还受空间排列和扩散竞争的影响，因此仅有一部分气泡持续存在，而其他气泡则溶解并充当供体。这些结果将电化学析出纳米气泡重新定义为涌现的、空间有序的特征，而非不可避免的寄生副产物，并指向了有意控制气泡成核与生长位置以保留活性面积并减轻输运损失的电极设计。