Nieuwe inzichten in belinterferentie zouden het elektrodeontwerp kunnen verbeteren

Industriële elektrochemische processen waarbij elektroden worden gebruikt om brandstoffen en chemische producten te produceren, worden belemmerd door de vorming van bellen die delen van het elektrodeoppervlak blokkeren, waardoor het beschikbare gebied voor de actieve reactie wordt verkleind. Een dergelijke blokkering vermindert de prestaties van de elektroden met 10 tot 25%.

Maar nieuw onderzoek brengt een decennialang misverstand aan het licht over de omvang van die interferentie. De bevindingen laten precies zien hoe het blokkerende effect werkt en kunnen leiden tot nieuwe manieren om elektrodeoppervlakken te ontwerpen om inefficiënties in deze veelgebruikte elektrochemische processen te minimaliseren.

Er is lang aangenomen dat het gehele gebied van de elektrode dat door elke bel wordt overschaduwd, effectief zou worden geïnactiveerd. Maar het blijkt dat een veel kleiner gebied – grofweg het gebied waar de bel daadwerkelijk in contact komt met het oppervlak – wordt geblokkeerd voor zijn elektrochemische activiteit. De nieuwe inzichten zouden direct kunnen leiden tot nieuwe manieren om de oppervlakken van patronen te voorzien om het contactoppervlak te minimaliseren en de algehele efficiëntie te verbeteren.

De bevindingen zijn gemeld vandaag in het journaal Nanoschaalin een artikel van de recente MIT-afgestudeerde Jack Lake Ph.D. ’23, afgestudeerde student Simon Rufer, hoogleraar werktuigbouwkunde Kripa Varanasi, onderzoekswetenschapper Ben Blaiszik en zes anderen aan de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory. Het team heeft een open-source, op AI gebaseerde softwaretool beschikbaar gesteld die ingenieurs en wetenschappers nu kunnen gebruiken om automatisch bellen te herkennen en te kwantificeren die op een bepaald oppervlak zijn gevormd, als een eerste stap in de richting van het beheersen van de eigenschappen van het elektrodemateriaal.

Gasontwikkelende elektroden, vaak met katalytische oppervlakken die chemische reacties bevorderen, worden gebruikt in een grote verscheidenheid aan processen, waaronder de productie van “groene” waterstof zonder het gebruik van fossiele brandstoffen, processen voor het afvangen van koolstof die de uitstoot van broeikasgassen kunnen verminderen, aluminium productie, en het chloor-alkaliproces dat wordt gebruikt om veelgebruikte chemische producten te maken.

Dit zijn zeer wijdverbreide processen. Het chloor-alkaliproces alleen al is verantwoordelijk voor 2% van al het elektriciteitsverbruik in de VS; de aluminiumproductie is goed voor 3% van de mondiale elektriciteit; en zowel de koolstofafvang als de waterstofproductie zullen de komende jaren waarschijnlijk snel groeien naarmate de wereld ernaar streeft de doelstellingen voor de reductie van broeikasgassen te halen. De nieuwe bevindingen kunnen dus echt een verschil maken, zegt Varanasi.

“Ons werk toont aan dat het engineeren van het contact en de groei van bellen op elektroden dramatische effecten kan hebben” op de manier waarop bellen ontstaan ​​en hoe ze het oppervlak verlaten, zegt hij. “De wetenschap dat het gebied onder de bellen aanzienlijk actief kan zijn, luidt een nieuwe reeks ontwerpregels in voor hoogwaardige elektroden om de schadelijke effecten van bellen te voorkomen.”

‘De bredere literatuur die de afgelopen decennia is opgebouwd heeft gesuggereerd dat niet alleen dat kleine contactgebied, maar het hele gebied onder de zeepbel gepassiveerd is’, zegt Rufer. De nieuwe studie onthult “een significant verschil tussen de twee modellen omdat het de manier verandert waarop je een elektrode zou ontwikkelen en ontwerpen om deze verliezen te minimaliseren.”

Om de implicaties van dit effect te testen en aan te tonen, produceerde het team verschillende versies van elektrodeoppervlakken met patronen van stippen die belletjes in verschillende groottes en tussenruimtes kernen en opsloten. Ze konden aantonen dat oppervlakken met ver uit elkaar geplaatste punten grote belgroottes bevorderden, maar slechts kleine oppervlakken met oppervlaktecontact, wat hielp om het verschil duidelijk te maken tussen de verwachte en werkelijke effecten van beldekking.

Het ontwikkelen van de software om belvorming te detecteren en kwantificeren was noodzakelijk voor de analyse van het team, legt Rufer uit. “We wilden veel gegevens verzamelen en naar veel verschillende elektroden en verschillende reacties en verschillende bubbels kijken, en ze zien er allemaal iets anders uit”, zegt hij. Het creëren van een programma dat met verschillende materialen en verschillende belichtingen om kon gaan en de bellen betrouwbaar kon identificeren en volgen was een lastig proces, en machine learning was de sleutel om het te laten werken, zegt hij.

Met behulp van dat hulpmiddel, zegt hij, konden ze “zeer aanzienlijke hoeveelheden gegevens verzamelen over de bellen op een oppervlak, waar ze zich bevinden, hoe groot ze zijn, hoe snel ze groeien, al deze verschillende dingen.” De tool is nu voor iedereen gratis beschikbaar via de GitHub-repository.

Door dat hulpmiddel te gebruiken om de visuele metingen van belvorming en evolutie te correleren met elektrische metingen van de prestaties van de elektrode, konden de onderzoekers de geaccepteerde theorie weerleggen en aantonen dat alleen het gebied van direct contact wordt beïnvloed. Video’s bewezen dit punt verder en onthulden nieuwe zeepbellen die zich actief ontwikkelden direct onder delen van een grotere zeepbel.

De onderzoekers ontwikkelden een zeer algemene methodologie die kan worden toegepast om de impact van bellen op elk elektrode- of katalysatoroppervlak te karakteriseren en te begrijpen. Ze waren in staat om de passivatie-effecten van de bel te kwantificeren in een nieuwe prestatiemetriek die ze BECSA (Bubble-geïnduceerd elektrochemisch actief oppervlak) noemen, in tegenstelling tot ECSA (elektrochemisch actief oppervlak), dat in het veld wordt gebruikt. “De BECSA-metriek was een concept dat we in een eerder onderzoek hadden gedefinieerd, maar waarvoor we tot dit werk geen effectieve methode hadden om te schatten”, zegt Varanasi.

De wetenschap dat het gebied onder de bellen aanzienlijk actief kan zijn, luidt een nieuwe reeks ontwerpregels in voor hoogwaardige elektroden. Dit betekent dat ontwerpers van elektroden moeten proberen het contactoppervlak van de bellen te minimaliseren in plaats van alleen maar de dekking van de bellen, wat kan worden bereikt door de morfologie en chemie van de elektroden te controleren.

Oppervlakken die zijn ontworpen om luchtbellen onder controle te houden, kunnen niet alleen de algehele efficiëntie van de processen verbeteren en zo het energieverbruik verminderen, ze kunnen ook besparen op de initiële materiaalkosten. Veel van deze gasevoluerende elektroden zijn bedekt met katalysatoren gemaakt van dure metalen zoals platina of iridium, en de bevindingen uit dit werk kunnen worden gebruikt om elektroden te ontwerpen om materiaalverspilling door reactieblokkerende bellen te verminderen.

Varanasi zegt dat “de inzichten uit dit werk nieuwe elektrode-architecturen zouden kunnen inspireren die niet alleen het gebruik van kostbare materialen verminderen, maar ook de algehele prestaties van de elektrolyzer verbeteren”, die beide grootschalige voordelen voor het milieu zouden opleveren.