Przemysłowe procesy elektrochemiczne, w których elektrody są wykorzystywane do produkcji paliw i produktów chemicznych, są utrudnione przez tworzenie się pęcherzyków, które blokują części powierzchni elektrody, zmniejszając obszar dostępny dla aktywnej reakcji. Takie zablokowanie zmniejsza wydajność elektrod o 10-25 proc.
Czytaj też: Chemia do poprawki. Jon “stosowany” od lat, tak naprawdę nie istnieje
Jednak nowe badania uczonych z MIT ujawniają trwające od dziesięcioleci nieporozumienie dotyczące zakresu tych zakłóceń. Od dawna zakładano, że cały obszar elektrody zacieniony przez pęcherzyk zostanie skutecznie zdezaktywowany. Okazuje się jednak, że w rzeczywistości zablokowany zostaje znacznie mniejszy obszar – mniej więcej taki, w którym pęcherzyk faktycznie styka się z powierzchnią. Nowe badania przeprowadzone przez mogą prowadzić bezpośrednio do nowych sposobów wzorowania powierzchni w celu zminimalizowania obszaru styku i poprawy ogólnej wydajności. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nanoscale.
Pęcherzyki i elektrody to nie jest idealne połączenie
Elektrody wydzielające gaz, najczęściej te z powierzchniami katalitycznymi, które przyspieszają reakcje chemiczne, są wykorzystywane w wielu procesach. Należą do nich “zielona” produkcja wodoru, wychwytywanie węgla w celu zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych, produkcja aluminium i proces chloro-alkaliczny do wytwarzania powszechnych produktów chemicznych.
Czytaj też: Przełomowy katalizator zamienia dwutlenek węgla w cenne paliwo
Proces chloro-alkaliczny odpowiada za 2 proc. całkowitego zużycia energii elektrycznej w USA; produkcja aluminium odpowiada za 3 proc. światowej energii elektrycznej; a wychwytywanie dwutlenku węgla i produkcja wodoru prawdopodobnie będą szybko rosły w nadchodzących latach.
Prof. Kripa Varanasi z MIT mówi:
Nasza praca pokazuje, że inżynieria kontaktu i wzrostu pęcherzyków na elektrodach może mieć dramatyczny wpływ na sposób ich tworzenia się i to, jak opuszczają powierzchnię. Wiedza, że obszar pod pęcherzykami może być znacząco aktywny, wprowadza nowy zestaw zasad projektowania wysokowydajnych elektrod, aby uniknąć szkodliwego wpływu pęcherzyków.
Aby przetestować uzyskane wyniki, badacze zbudowali różne wersje powierzchni elektrod ze wzorami kropek, które “więziły” pęcherzyki o różnych rozmiarach i odstępach. Dzięki tym nowym elektrodom uczonym udało się wykazać, że powierzchnie z szeroko rozstawionymi kropkami sprzyjały powstawaniu dużych rozmiarów pęcherzyków, ale tylko niewielkich obszarów styku powierzchni, co pomogło wyjaśnić różnicę między oczekiwanymi a rzeczywistymi efektami pokrycia pęcherzyków.
Dzięki stworzonemu oprogramowaniu typu open source opartego na sztucznej inteligencji udało się zebrać “spore ilości” danych o pęcherzykach na powierzchni, ich położeniu, wielkości i szybkości wzrostu. Projektanci elektrod powinni dążyć do zminimalizowania obszaru styku pęcherzyków, a nie ich całkowitego wyeliminowania, bo to może być niemożliwe. To z kolei może zaowocować stworzeniem zupełnie nowych elektrod i elektrolizerów, które odmienią szereg branż zależnych od reakcji elektrochemicznych.