Het is bekend dat bellen de energie- en massaoverdracht in gasontwikkelende elektroden beïnvloeden. Veel elektrochemische reacties produceren gas dat kan leiden tot de vorming van bellen op de plaats van de reactie. Die bellen kunnen de efficiëntie van de reactie verminderen, wat leidt tot energieverliezen. David Fernández Rivas, en zijn medewerkers van de Universiteit Twente en New York University, publiceerde verschillende strategieën om verliezen te beperken of zelfs zeepbellen te exploiteren in het tijdschrift Joule .

In het artikel, Fernandez Rivas legt uit dat bellen worden gevormd in tal van grote industriële elektrosyntheseprocessen zoals de reductie van CO ₂ om organische brandstoffen te produceren. Dat is een probleem in de huidige trend van elektrificatie van de chemische industrie, omdat bellen de prestatie van elektroden verminderen. "Het vergroten van onze kennis van de relatie tussen bellen en elektrochemie zal leiden tot ontwerprichtlijnen voor hoogwaardige elektrochemische reactoren, die zeer wenselijk zijn in de chemische industrie."

Belvorming

Fernandez Rivas beschrijft de huidige kennis van de vorming van bellen:"Bubbels vormen zich typisch op scheuren en spleten of andere microscopisch kleine bultjes in het elektrode-oppervlak." (zie figuur 1). Een voorbeeld van een dergelijk voor bellenvorming geschikt oppervlak is de rand van een glas. Wanneer het glas is gevuld met cola - of een andere koolzuurhoudende vloeistof - kun je vinden, er ontstaat een mooie 'trein' van bellen uit de opgeloste kooldioxide.

De bellen op elektroden, echter, kan voorkomen dat de gewenste reactie plaatsvindt, wat betekent dat de efficiëntie van de reactie wordt verminderd. "Een beter begrip van de vorming van bellen kan ons helpen hun vorming te beheersen en zo de efficiëntie van reacties te verhogen", legt Fernandez Rivas uit.

Efficiëntie verhogen

Er zijn verschillende technieken beschikbaar om bellen te verwijderen of te verminderen. Een daarvan die de afgelopen tien jaar in Twente is ontwikkeld, maakt gebruik van microscopisch kleine technische defecten of putjes op het oppervlak van de elektrode. In de hydrofobe put vormen zich bij voorkeur bellen (zie figuur 2). Deze techniek maakt het mogelijk om bellen te vormen weg van de actieve oppervlakken van de elektrode.

De vorming weg van de actieve oppervlakken van de elektrode laat drie dingen gebeuren. Eerst, elke nieuwe bubbel in een reeks duurt langer om te groeien. Dan verhoogt een continue gasproductie de lokale gasoververzadiging, wat op zijn beurt de groeisnelheid van bellen verhoogt. Eindelijk, het groeitempo vlakt af naar een gestaag groeitempo. De vorming van bellen weg van de elektroden kan worden gebruikt om door bellen veroorzaakte energieverliezen in elektrochemische apparaten te minimaliseren, zoals brandstofcellen.

Meer informatie over bubbels

Het artikel, Invloed van bellen op de energieconversie-efficiëntie van elektrochemische reactoren, is geschreven door onderzoekers van de Mesoscale Chemical Systems Group van de Universiteit Twente en New York University. Hun werk werd ondersteund door het Netherlands Centre for Multiscale Catalytic Energy Conversion (MCEC), een NWO Zwaartekrachtprogramma gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap van de Nederlandse overheid, en door de Zwitserse National Science Foundation. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Joule