Het gebruik van elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof kan een effectieve manier zijn om schoon brandende waterstofbrandstof te produceren. met verdere voordelen als die elektriciteit wordt opgewekt uit hernieuwbare energiebronnen. Maar naarmate de watersplitsingstechnologieën verbeteren, vaak met behulp van poreuze elektrodematerialen om grotere oppervlakten voor elektrochemische reacties te bieden, hun efficiëntie wordt vaak beperkt door de vorming van bellen die de reactieve oppervlakken kunnen blokkeren of verstoppen.

Nutsvoorzieningen, een onderzoek aan het MIT heeft voor het eerst geanalyseerd en gekwantificeerd hoe bellen zich vormen op deze poreuze elektroden. De onderzoekers hebben ontdekt dat er drie verschillende manieren zijn waarop bellen zich kunnen vormen op en weggaan van het oppervlak, en dat deze nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd door de samenstelling en oppervlaktebehandeling van de elektroden aan te passen.

De bevindingen kunnen ook van toepassing zijn op een verscheidenheid aan andere elektrochemische reacties, met inbegrip van die welke worden gebruikt voor de omzetting van koolstofdioxide dat wordt opgevangen uit de emissies van elektriciteitscentrales of lucht om brandstof of chemische grondstoffen te vormen. Het werk wordt vandaag beschreven in het tijdschrift Joule , in een paper van MIT-onderzoeker Ryuichi Iwata, afgestudeerde student Lenan Zhang, professoren Evelyn Wang en Betar Gallant, en drie anderen.

"Watersplitsing is in feite een manier om waterstof op te wekken uit elektriciteit, en het kan worden gebruikt om de fluctuaties van de energievoorziening uit hernieuwbare bronnen op te vangen, " zegt Iwata, hoofdauteur van de krant. Die toepassing motiveerde het team om de beperkingen van dat proces te bestuderen en hoe ze konden worden gecontroleerd.

Omdat de reactie constant gas produceert in een vloeibaar medium, het gas vormt bellen die het actieve elektrode-oppervlak tijdelijk kunnen blokkeren. "Beheersing van de bubbels is een sleutel tot het realiseren van hoge systeemprestaties, ', zegt Iwata. Maar er was nog weinig onderzoek gedaan naar de soorten poreuze elektroden die in toenemende mate worden bestudeerd voor gebruik in dergelijke systemen.

Het team identificeerde drie verschillende manieren waarop bellen kunnen worden gevormd en losgelaten van het oppervlak. In een, interne groei en vertrek genoemd, de bubbels zijn klein in verhouding tot de grootte van de poriën in de elektrode. In dat geval, bubbels drijven vrij weg en het oppervlak blijft relatief helder, het reactieproces bevorderen.

In een ander regime, de bubbels zijn groter dan de poriën, zodat ze de neiging hebben vast te lopen en de openingen te verstoppen, de reactie aanzienlijk inperken. En in een derde, tussenregime, wicking genoemd, de bellen zijn middelgroot en nog deels geblokkeerd, maar slagen erin door capillaire werking naar buiten te sijpelen.

Het team ontdekte dat de cruciale variabele om te bepalen welke van deze regimes plaatsvindt, de bevochtigbaarheid van het poreuze oppervlak is. deze kwaliteit, die bepaalt of water zich gelijkmatig over het oppervlak verspreidt of zich in druppels ophoopt, kan worden gecontroleerd door de op het oppervlak aangebrachte coating aan te passen. Het team gebruikte een polymeer genaamd PTFE, en hoe meer ze op het elektrodeoppervlak sputterden, hoe meer hydrofoob het werd. Het werd ook beter bestand tegen verstopping door grotere bellen.

De overgang is vrij abrupt, Zhang zegt, dus zelfs een kleine verandering in bevochtigbaarheid, veroorzaakt door een kleine verandering in de dekking van de oppervlaktecoating, kunnen de prestaties van het systeem drastisch veranderen. Door deze bevinding, hij zegt, "we hebben een nieuwe ontwerpparameter toegevoegd, dat is de verhouding van de diameter van de luchtbelvertrek [de grootte die het bereikt voordat het van het oppervlak wordt gescheiden] en de poriegrootte. Dit is een nieuwe indicator voor de effectiviteit van een poreuze elektrode."

De poriegrootte kan worden geregeld door de manier waarop de poreuze elektroden worden gemaakt, en de bevochtigbaarheid kan nauwkeurig worden gecontroleerd door de toegevoegde coating. Dus, "door deze twee effecten te manipuleren, in de toekomst kunnen we deze ontwerpparameters nauwkeurig controleren om ervoor te zorgen dat het poreuze medium onder de optimale omstandigheden wordt gebruikt, ", zegt Zhang. Dit zal materiaalontwerpers een reeks parameters bieden om hun selectie van chemische verbindingen te begeleiden, fabricagemethoden en oppervlaktebehandelingen of coatings om de beste prestaties te leveren voor een specifieke toepassing.

Terwijl de experimenten van de groep gericht waren op het watersplitsingsproces, de resultaten moeten toepasbaar zijn op vrijwel elke gasontwikkelende elektrochemische reactie, het team zegt, inclusief reacties die worden gebruikt om opgevangen kooldioxide elektrochemisch om te zetten, bijvoorbeeld door de uitstoot van elektriciteitscentrales.

galant, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, zegt dat "wat echt opwindend is, is dat naarmate de technologie van het splitsen van water zich blijft ontwikkelen, de focus van het veld gaat verder dan het ontwerpen van katalysatormaterialen tot het engineeren van massatransport, tot het punt waarop deze technologie klaar is om op te schalen." ze zegt, "Ze komen er wel. En nu we echt de grenzen van de gasontwikkelingssnelheden beginnen te verleggen met goede katalysatoren, we kunnen de bubbels die zich ontwikkelen niet meer negeren, dat is een goed teken."