Новое понимание интерференции пузырьков может улучшить конструкцию электродов

Промышленные электрохимические процессы, в которых используются электроды для производства топлива и химической продукции, затруднены из-за образования пузырьков, блокирующих части поверхности электродов, уменьшающих площадь, доступную для активной реакции. Такая закупорка снижает производительность электродов примерно на 10–25%.

Но новое исследование выявило 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.

Долгое время предполагалось, что вся область электрода, затененная каждым пузырьком, будет эффективно инактивирована. Но оказывается, что гораздо меньшая область — примерно та область, где пузырек фактически контактирует с поверхностью — заблокирована от его электрохимической активности. Новые идеи могут привести непосредственно к новым способам нанесения рисунка на поверхности, чтобы минимизировать площадь контакта и повысить общую эффективность.

Выводы сообщил сегодня в журнале Наномасштабв статье недавнего выпускника Массачусетского технологического института Джека Лейка, доктора философии. 23 года, аспирант Саймон Руфер, профессор машиностроения Крипа Варанаси, научный сотрудник Бен Блейшик и еще шесть человек из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории. 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.

Газообразующие электроды, часто с каталитическими поверхностями, которые способствуют химическим реакциям, используются в самых разных процессах, включая производство «зеленого» водорода без использования ископаемого топлива, процессы улавливания углерода, которые могут снизить выбросы парниковых газов, алюминий. производство и хлор-щелочной процесс, который используется для производства широко используемых химических продуктов.

Это очень распространенные процессы. Только на хлор-щелочной процесс приходится 2% всего потребления электроэнергии в США; производство алюминия составляет 3% мирового производства электроэнергии; и улавливание углерода, и производство водорода, вероятно, будут быстро расти в ближайшие годы, 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 значительно активной, открывает новый набор правил проектирования высокопроизводительных электродов, позволяющих избежать вредного воздействия пузырьков».

«Более обширная литература, созданная за последние пару десятилетий, предполагает, что пассивируется не только эта небольшая область контакта, но и вся область под пузырем», — 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 узорами из точек, которые зарождали и захватывали пузырьки разных размеров и на разных расстояниях. Им удалось показать, что поверхности с широко расположенными точками способствуют появлению пузырьков большого размера, но только крошечных участков контакта с поверхностью, что помогло прояснить разницу между ожидаемым и фактическим эффектом 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 разными материалами и разным освещением, а также надежно идентифицировать и отслеживать пузыри, было сложным процессом, и машинное обучение было ключом к тому, чтобы заставить ее работать, говорит он.

Используя этот инструмент, по его словам, они смогли собрать «действительно значительные объемы данных о пузырьках на поверхности: где они находятся, насколько они велики, как быстро они растут и обо всех этих разных вещах». Теперь этот инструмент доступен всем желающим бесплатно через репозиторий GitHub.

Используя этот инструмент для сопоставления визуальных показателей формирования и развития пузырьков с электрическими измерениями характеристик электрода, исследователи смогли опровергнуть общепринятую теорию и показать, что это затрагивает только область прямого контакта. Видео еще раз подтвердило 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 эффекты пассивации пузырьков с помощью нового показателя производительности, который они называют BECSA (электрохимически активная поверхность, индуцированная пузырьками), в отличие от ECSA (электрохимически активная площадь поверхности), который используется в полевых условиях. «Метрика BECSA — это концепция, которую мы определили в более раннем исследовании, но до этой работы у нас не было эффективного метода оценки», — говорит Варанаси.

Знание того, что область под пузырьками может быть весьма активной, открывает новый набор правил проектирования высокопроизводительных электродов. Это означает, что разработчики электродов должны стремиться минимизировать площадь контакта пузырьков, а не просто охватывать пузырьки, чего можно достичь путем контроля морфологии и химического состава электродов.

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

Варанаси говорит, что «идея этой работы может вдохновить на создание новой архитектуры электродов, которая не только сократит использование драгоценных материалов, но и улучшит общую производительность электролизера», и то и другое принесет масштабные экологические выгоды.

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