Kontrol af bobledannelse på elektroder

Brug af elektricitet til at splitte vand i brint og ilt kan være en effektiv måde at producere rentbrændende brintbrændstof på, med yderligere fordele, hvis den elektricitet genereres fra vedvarende energikilder. Men efterhånden som vandspaltningsteknologierne forbedres, ofte brug af porøse elektrodematerialer til at tilvejebringe større overfladearealer til elektrokemiske reaktioner, deres effektivitet er ofte begrænset af dannelsen af ​​bobler, der kan blokere eller tilstoppe de reaktive overflader.

Nu, en undersøgelse på MIT har for første gang analyseret og kvantificeret, hvordan bobler dannes på disse porøse elektroder. Forskerne har fundet ud af, at der er tre forskellige måder, bobler kan dannes på og afgå fra overfladen, og at disse kan styres præcist ved at justere sammensætningen og overfladebehandlingen af ​​elektroderne.

Resultaterne kan også gælde en række andre elektrokemiske reaktioner, herunder dem, der bruges til omdannelse af kuldioxid fanget fra kraftværksemissioner eller luft til dannelse af brændstof eller kemiske råstoffer. Værket er beskrevet i dag i tidsskriftet Joule , i et oplæg af MIT -besøgsforsker Ryuichi Iwata, kandidatstuderende Lenan Zhang, professorer Evelyn Wang og Betar Gallant, og tre andre.

"Vandspaltning er dybest set en måde at generere brint ud af elektricitet, og det kan bruges til at afbøde udsvingene i energiforsyningen fra vedvarende kilder, "siger Iwata, papirets hovedforfatter. Denne applikation var det, der motiverede teamet til at studere begrænsningerne for denne proces, og hvordan de kunne kontrolleres.

Fordi reaktionen konstant producerer gas i et flydende medium, gassen danner bobler, der midlertidigt kan blokere den aktive elektrodeoverflade. "Kontrol af boblerne er en nøgle til at realisere en høj systemydelse, "Siger Iwata. Men der var ikke foretaget lidt undersøgelser af den slags porøse elektroder, der i stigende grad studeres til brug i sådanne systemer.

Teamet identificerede tre forskellige måder, hvorpå bobler kan dannes og frigives fra overfladen. I en, kaldet intern vækst og afgang, boblerne er små i forhold til størrelsen af ​​porerne i elektroden. I det tilfælde, bobler flyder frit væk, og overfladen forbliver relativt klar, fremme af reaktionsprocessen.

I et andet regime, boblerne er større end porerne, så de har en tendens til at sidde fast og tilstoppe åbningerne, reducerer reaktionen markant. Og i en tredje, mellemregime, kaldet wicking, boblerne er af mellemstørrelse og stadig delvist blokerede, men formår at sive ud gennem kapillæraktion.

Teamet fandt ud af, at den afgørende variabel til at bestemme, hvilket af disse regimer der finder sted, er den porøse overflades befugtning. Denne kvalitet, som bestemmer om vand spredes jævnt ud over overfladen eller perler op i dråber, kan styres ved at justere belægningen påført overfladen. Holdet brugte en polymer kaldet PTFE, og jo mere det spruttede på elektrodeoverfladen, jo mere hydrofob det blev. Det blev også mere modstandsdygtigt over for blokering af større bobler.

Overgangen er ret pludselig, Zhang siger, så selv en lille ændring i fugtbarhed, forårsaget af en lille ændring i overfladebelægningens dækning, kan dramatisk ændre systemets ydeevne. Gennem dette fund, han siger, "vi har tilføjet en ny designparameter, som er forholdet mellem boblens afgangsdiameter [den størrelse, den når, før den skilles fra overfladen] og porestørrelsen. Dette er en ny indikator for effektiviteten af ​​en porøs elektrode. "

Porestørrelse kan kontrolleres gennem den måde, de porøse elektroder fremstilles på, og befugtbarheden kan kontrolleres præcist gennem den tilsatte belægning. Så, "ved at manipulere disse to effekter, i fremtiden kan vi præcist styre disse designparametre for at sikre, at det porøse medium drives under de optimale forhold, "Siger Zhang. Dette vil give materialedesignere et sæt parametre til at hjælpe med at styre deres valg af kemiske forbindelser, fremstillingsmetoder og overfladebehandlinger eller belægninger for at give den bedste ydeevne til en bestemt applikation.

Mens gruppens eksperimenter fokuserede på vandopdelingsprocessen, resultaterne bør være gældende for praktisk talt enhver gasudviklende elektrokemisk reaktion, holdet siger, herunder reaktioner, der bruges til elektrokemisk omdannelse af indfanget kuldioxid, for eksempel fra kraftværksemissioner.

Gallant, lektor i maskinteknik ved MIT, siger, at "det, der virkelig er spændende, er, at når teknologien til vandopdeling fortsætter med at udvikle sig, feltets fokus ekspanderer ud over at designe katalysatormaterialer til konstruktion af massetransport, til det punkt, hvor denne teknologi er klar til at kunne skaleres. "Selvom den stadig ikke er på massemarkedet kommercialiserbare stadie, hun siger, "de kommer derhen. Og nu hvor vi virkelig begynder at skubbe grænserne for gasudviklingshastigheder med gode katalysatorer, vi kan ikke ignorere boblerne, der udvikles længere, hvilket er et godt tegn. "