Comprobación de la formación de burbujas en los electrodos | Noticias del MIT


Usar electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno puede ser una forma eficiente de producir hidrógeno de combustión limpia, con otros beneficios si esta electricidad se produce a partir de fuentes de energía renovables. Pero a medida que mejoran las tecnologías de separación de agua, a menudo utilizando materiales de electrodos porosos para proporcionar superficies más grandes para las reacciones electroquímicas, su eficiencia a menudo se ve limitada por la formación de burbujas que pueden bloquear u obstruir las superficies reactivas.

Hoy, un estudio del MIT analizó y cuantificó por primera vez la formación de burbujas en estos electrodos porosos. Los investigadores han descubierto que hay tres formas diferentes de formar burbujas sobre y lejos de la superficie, y que pueden controlarse con precisión ajustando la composición y el tratamiento de la superficie de los electrodos.

Los resultados también podrían ser aplicables a otras reacciones electroquímicas, incluidas las utilizadas para la conversión del dióxido de carbono capturado de las emisiones de las centrales eléctricas o del aire para formar combustibles o materias primas químicas. El trabajo se describe hoy en el periódico. Joule, en un artículo del académico visitante del MIT Ryuichi Iwata, el estudiante graduado Lenan Zhang, los profesores Evelyn Wang y Betar Gallant, y otros tres.

“El fraccionamiento del agua es básicamente una forma de generar hidrógeno a partir de la electricidad y se puede utilizar para suavizar las fluctuaciones en el suministro de energía de fuentes renovables”, dice Iwata, autor del artículo principal. Fue esta aplicación la que motivó al equipo a estudiar los límites de este proceso y cómo controlarlos.

Debido a que la reacción produce constantemente gas en un medio líquido, el gas forma burbujas que pueden bloquear temporalmente la superficie activa del electrodo. “El control de burbujas es clave para lograr un alto rendimiento del sistema”, dice Iwata. Pero se han realizado pocos estudios sobre los tipos de electrodos porosos que se estudian cada vez más para su uso en tales sistemas.

El equipo identificó tres formas diferentes en que las burbujas pueden formarse y liberarse de la superficie. En uno, llamado crecimiento interno e inicio, las burbujas son diminutas en comparación con el tamaño de los poros del electrodo. En este caso, las burbujas flotan libremente y la superficie permanece relativamente clara, promoviendo el proceso de reacción.

En otro régimen, las burbujas son más grandes que los poros, por lo que tienden a atascarse y obstruir las aberturas, lo que reduce en gran medida la reacción. Y en un tercer régimen intermedio, llamado mecha, las burbujas son de tamaño medio y todavía están parcialmente bloqueadas, pero logran infiltrarse por capilaridad.

El equipo descubrió que la variable crucial para determinar cuál de estos regímenes tiene lugar es la humectabilidad de la superficie porosa. Esta calidad, que determina si el agua se distribuye uniformemente sobre la superficie o se convierte en gotas, se puede controlar ajustando el recubrimiento aplicado a la superficie. El equipo usó un polímero llamado PTFE, y cuanto más rociaban sobre la superficie del electrodo, más hidrofóbico se volvía. También se ha vuelto más resistente al bloqueo por burbujas más grandes.

agua dividida
Nuevos experimentos han demostrado que la humectabilidad de la superficie marca una gran diferencia en la forma en que las burbujas se forman y salen de la superficie. A la izquierda, una superficie porosa de mayor humectabilidad conduce a pequeñas burbujas que desaparecen rápidamente, mientras que una menor humectabilidad a la derecha conduce a burbujas más grandes que obstruyen los poros del material y reducen la eficiencia.

La transición es bastante empinada, dice Zhang, por lo que incluso un pequeño cambio en la humectabilidad, causado por un pequeño cambio en la cobertura del revestimiento de la superficie, puede afectar drásticamente el rendimiento del sistema. Con este descubrimiento, dice, "agregamos un nuevo parámetro de diseño, que es la relación entre el diámetro inicial de la burbuja (el tamaño que alcanza antes de separarse de la superficie) y el tamaño de los poros. Este es un nuevo indicador de la eficiencia de un electrodo poroso. "

El tamaño de los poros se puede controlar mediante la forma en que se fabrican los electrodos porosos, y la humectabilidad se puede controlar con precisión con el revestimiento añadido. Por lo tanto, "manipulando estos dos efectos, en el futuro podremos controlar con precisión estos parámetros de diseño para garantizar que el medio poroso funcione en condiciones óptimas", explica Zhang. Esto proporcionará a los diseñadores de materiales un conjunto de parámetros para guiar su selección de compuestos químicos, métodos de fabricación y tratamientos o revestimientos superficiales para proporcionar el mejor rendimiento para una aplicación específica.

Si bien los experimentos del grupo se centraron en el proceso de fraccionamiento del agua, los resultados deberían ser aplicables a prácticamente todas las reacciones electroquímicas de gaseado, según el equipo, incluidas las reacciones utilizadas para convertir electroquímicamente el dióxido de carbono capturado, por ejemplo, de las emisiones de las centrales eléctricas.

Gallant, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice: "Lo que es realmente emocionante es que, a medida que la tecnología de la división de agua continúa desarrollándose, el campo se expande. Se extiende más allá del diseño de materiales catalíticos hasta la ingeniería del transporte masivo, hasta el punto donde esta tecnología está preparada para evolucionar. Aunque todavía no está en la etapa de comercialización masiva, dice, "están llegando allí". Y ahora que estamos empezando a empujar realmente los límites en las tasas de liberación de gas con buenos catalizadores, ya no podemos ignorar la evolución de las burbujas, lo cual es una buena señal. "

El equipo del MIT también incluía a Kyle Wilke, Shuai Gong y Mingfu He. El trabajo fue apoyado por Toyota Central R&D Labs, la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y Tecnología (SMART), el Fondo Común de Ciencia y Tecnología de Estados Unidos y Egipto y la Fundación de Ciencias Naturales de China.

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