Новое понимание интерференции пузырьков может улучшить конструкцию электродов

Промышленные электрохимические процессы, в которых используются электроды для производства топлива и химикатов, затруднены из-за образования пузырьков, которые блокируют части поверхности электродов, тем самым уменьшая площадь поверхности, доступную для активной реакции. Такая блокировка снижает производительность электродов на 10–25%.

Но новое исследование раскрывает существовавшее десятилетиями непонимание масштабов этого вмешательства. Результаты показывают, как именно работает эффект блокировки, и могут привести к новым способам проектирования поверхностей электродов, чтобы минимизировать неэффективность этих широко используемых электрохимических процессов.

Давно предполагалось, что вся площадь электрода, затененная каждым пузырьком, будет эффективно инактивирована. Но оказывается, что гораздо меньшая область – примерно та область, где пузырек фактически контактирует с поверхностью – заблокирована из-за его электрохимической активности. Новые знания могут привести непосредственно к новым способам формирования поверхностей, позволяющим минимизировать площадь контакта и повысить общую эффективность.

Выводы: сообщил сегодня в газете На наноуровнев статье недавнего выпускника Массачусетского технологического института Джека Лейка, доктора философии '23, аспиранта Саймона Руфера, профессора машиностроения Крипы Варанаси, научного сотрудника Бена Блейшика и еще шести человек из Чикагского университета и Национальной лаборатории Аргонны. Команда предоставила программный инструмент с открытым исходным кодом на основе искусственного интеллекта, который инженеры и ученые теперь могут использовать для автоматического распознавания и количественного определения пузырьков, образующихся на заданной поверхности, в качестве первого шага на пути к контролю свойств материала электрода.

Газоизлучающие электроды, часто с каталитическими поверхностями, способствующими химическим реакциям, используются в самых разных процессах, включая производство «зеленого» водорода без использования ископаемого топлива, процессы улавливания углерода, позволяющие снизить выбросы парниковых газов, алюминия. производство и хлор-щелочной процесс, используемый для производства широко используемых химикатов.

Это очень распространенные процессы. Только на хлор-щелочной процесс приходится 2% общего потребления электроэнергии в США; производство алюминия составляет 3% мирового производства электроэнергии; Ожидается, что в ближайшие годы улавливание углерода и производство водорода будут быстро расти, поскольку мир стремится достичь целей по сокращению выбросов парниковых газов. Таким образом, новые результаты могут иметь реальное значение, говорит Варанаси.

«Наша работа показывает, что технология контакта и роста пузырьков на электродах может иметь драматические последствия» на то, как пузырьки формируются и как они покидают поверхность, — говорит он. «Знание того, что область под пузырьками может быть очень активной, открывает путь к новому набору правил проектирования высокопроизводительных электродов, позволяющих избежать вредного воздействия пузырьков».

«Более обширная литература, созданная за последние два десятилетия, предполагает, что не только эта небольшая область контакта, но и вся область под пузырем пассивируется», — говорит Руфер. Новое исследование выявило «значительную разницу между двумя моделями, поскольку оно меняет способ разработки и проектирования электродов, чтобы минимизировать эти потери».

Чтобы проверить и продемонстрировать последствия этого эффекта, команда создала различные версии поверхностей электродов с точечным рисунком, на котором зарождались и задерживались пузырьки разных размеров и между собой. Им удалось показать, что поверхности с широко расположенными точками благоприятствуют пузырькам большого размера, но только крошечным областям контакта с поверхностью, что позволяет четко различать ожидаемые и фактические эффекты покрытия пузырьками.

По словам Руфера, для анализа команде была необходима разработка программного обеспечения для обнаружения и количественной оценки образования пузырей. «Мы хотели собрать много данных и посмотреть на множество разных электродов, разных реакций и разных пузырьков, и все они выглядят немного по-разному», — говорит он. Создание программы, которая могла бы работать с различными материалами и освещением, а также надежно идентифицировать и отслеживать пузыри, было сложным процессом, и для ее работы было необходимо машинное обучение, говорит он.

По его словам, с помощью этого инструмента они смогли собрать «очень большие объемы данных о пузырьках на поверхности: где они находятся, насколько они велики, как быстро растут и обо всех этих разных вещах». Теперь инструмент доступен бесплатно всем через репозиторий GitHub.

Используя этот инструмент для корреляции визуальных измерений формирования и развития пузырьков с электрическими измерениями характеристик электродов, исследователи смогли опровергнуть общепринятую теорию и показать, что это влияет только на область прямого контакта. Видео также подтвердили эту точку зрения, показав новые пузыри, активно развивающиеся непосредственно под частями более крупного пузыря.

Исследователи разработали очень общую методологию, которую можно применять для характеристики и понимания воздействия пузырьков на любой электрод или поверхность катализатора. Им удалось количественно оценить эффект пассивации пузырьков с помощью нового показателя производительности, который они называют BECSA (Площадь электрохимически активной поверхности, индуцированная пузырьками), в отличие от ECSA (Площадь электрохимически активной поверхности), используемого в полевых условиях. «Метрика BECSA — это концепция, которую мы определили в предыдущем исследовании, но до этой работы у нас не было эффективного метода оценки», — объясняет Варанаси.

Знание того, что область под пузырьками может быть очень активной, открывает путь к новому набору правил проектирования высокопроизводительных электродов. Это означает, что разработчики электродов должны стремиться минимизировать площадь контакта пузырьков, а не просто закрывать пузырьки, чего можно достичь путем контроля морфологии и химического состава электрода.

Поверхности, предназначенные для контроля пузырьков, могут не только повысить общую эффективность процесса и, таким образом, снизить потребление энергии, но также сэкономить первоначальные затраты на материалы. Многие из этих газовыделяющих электродов покрыты катализаторами из дорогих металлов, таких как платина или иридий, и результаты этой работы могут быть использованы для разработки электродов, позволяющих сократить отходы материала из-за пузырьков, блокирующих реакцию.

Варанаси утверждает, что «результаты этой работы могут вдохновить на создание новой архитектуры электродов, которая не только сократит использование драгоценных материалов, но и улучшит общую производительность электролизера», что принесет масштабную экологическую выгоду.

Эта история переиздана с любезного разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, освещающий новости об исследованиях, инновациях и образовании MIT.