纳米气泡因其独特的物理化学性质，在能源催化、生物医学和环境修复等领域展现出的广阔应用前景。然而目前纳米气泡的传统制备方法仍面临产量低、稳定性差等技术瓶颈。
近日，中国科学院上海高等研究院纳米气泡研究团队联合中国科学院上海应用物理研究所和上海大学创新性地将结合超声与电解反应，在高效制备氢气纳米气泡研究上取得新进展。
纳米气泡自2000年首次被原子力显微镜观测证实以来 (Lou et al., J. Vac. Sci. Technol. B., 2000, 2573-2575），近年来已迅速成为科学界和企业界的关注的热点。纳米气泡的高效制备是决定纳米气泡应用的关键。电化学方法因其电压、反应时间等可控是制备纳米气泡的最佳方法之一。该团队在2006年便首次采用电化学方法生产表面氢气纳米气泡 (Zhang et al., Langmuir.2006, 22 8109-8113), 并利用原位原子力显微镜原位检测了氢气纳米气泡的形成和生长，并探讨了氢气纳米气泡的形成与电势的关系。2020年，该团队进一步利用同步辐射技术软X射线谱学技术揭示了电化学产生的氧气纳米气泡内部的高密度特性（Zhou et al., J. Am. Chem. Soc.2020，142，5583-5593）为阐释纳米气泡的稳定性提供了新的实验依据。
纳米气泡的工业应用对纳米气泡的浓度和稳定性提出了更高的需求。本研究将超声和电化学有机结合起来，开发了一类结合电解和超声波技术制备纳米气泡的新方法,实现纳米气泡的高效量产，将氢气纳米气泡浓度提升至传统方法的6倍以上，并能在碱性环境中稳定存在超过24小时。研究团队设计了一种双室分离式的电解槽，并且在电解反应中引入40 kHz超声波场，有效促进了气泡从电极表面脱离及破碎过程，使氢气纳米气泡浓度达到2.0×10⁸ 个/毫升。关于具体的产生机制，一方面，外加超声场可以促进纳米气泡与电极表面的分离，提高电解效率；另一方面通过超声空化能在水溶液中直接促进纳米气泡成核生长。该工作深入并系统性地探究了反应时间、施加电压和电解质溶液的种类与浓度对氢气纳米气泡的浓度的影响，并对不同溶液环境下氢气纳米气泡的稳定性及其机制展开探讨。该项技术首次实现了纳米气泡的量产，为工业应用奠定了技术基础。
相关研究成果发表在《胶体界面化学杂志》（Journal of Colloid and Interface Science）上。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会的支持。
图1：(a) 超声辅助促进电解产生氢气纳米气泡，(b) 纳米气泡的颗粒追踪图像，(c)脱气对照。(d) 氢气纳米气泡的尺寸分布
图2：超声辅助电解生成氢气纳米气泡的机制图
