Esta imagen muestra la interacción entre la humectabilidad del electrodo, estructura porosa, y sobrepotencial. Con la disminución de la mojabilidad (moviéndose de izquierda a derecha), el electrodo generador de gas pasa de un modo de crecimiento y salida interno a un modo lleno de gas, asociado con un cambio drástico de los comportamientos de las burbujas y un aumento significativo del sobrepotencial. Crédito:Ryuichi Iwata, Lenan Zhang, Evelyn Wang, Betar Gallant y col.
El uso de electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno puede ser una forma eficaz de producir combustible de hidrógeno de combustión limpia. con más beneficios si esa electricidad se genera a partir de fuentes de energía renovables. Pero a medida que mejoran las tecnologías de división del agua, a menudo utilizando materiales de electrodos porosos para proporcionar mayores áreas de superficie para reacciones electroquímicas, su eficacia a menudo se ve limitada por la formación de burbujas que pueden bloquear u obstruir las superficies reactivas.
Ahora, un estudio del MIT ha analizado y cuantificado por primera vez cómo se forman las burbujas en estos electrodos porosos. Los investigadores han descubierto que hay tres formas diferentes en que las burbujas pueden formarse y salir de la superficie. y que estos pueden controlarse con precisión ajustando la composición y el tratamiento superficial de los electrodos.
Los hallazgos también podrían aplicarse a una variedad de otras reacciones electroquímicas, incluidos los utilizados para la conversión del dióxido de carbono capturado de las emisiones de las centrales eléctricas o del aire para formar combustible o materias primas químicas. El trabajo se describe hoy en la revista. Joule , en un artículo del académico visitante del MIT, Ryuichi Iwata, estudiante de posgrado Lenan Zhang, los profesores Evelyn Wang y Betar Gallant, y otros tres.
"La división del agua es básicamente una forma de generar hidrógeno a partir de la electricidad, y se puede utilizar para mitigar las fluctuaciones del suministro de energía de fuentes renovables, "dice Iwata, el autor principal del artículo. Esa aplicación fue lo que motivó al equipo a estudiar las limitaciones de ese proceso y cómo se podían controlar.
Debido a que la reacción produce gas constantemente dentro de un medio líquido, el gas forma burbujas que pueden bloquear temporalmente la superficie del electrodo activo. "El control de las 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 están estudiando 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, apodado crecimiento y partida internos, las burbujas son diminutas en relación con el tamaño de los poros del electrodo. En ese caso, las burbujas flotan libremente y la superficie permanece relativamente clara, promover el proceso de reacción.
Nuevos experimentos demostraron 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 salen rápidamente, mientras que menor humectabilidad, Derecha, conduce a burbujas más grandes que obstruyen los poros del material y reducen la eficiencia. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
En otro régimen, las burbujas son más grandes que los poros, por lo que tienden a atascarse y obstruir las aberturas, reduciendo significativamente la reacción. Y en un tercero régimen intermedio, llamado mecha, las burbujas son de tamaño mediano y todavía están parcialmente bloqueadas, pero logran filtrarse a través de la acción capilar.
El equipo descubrió que la variable crucial para determinar cuál de estos regímenes tiene lugar es la humectabilidad de la superficie porosa. Esta cualidad, que determina si el agua se esparce uniformemente por la superficie o forma gotas, se puede controlar ajustando el revestimiento aplicado a la superficie. El equipo utilizó un polímero llamado PTFE, y cuanto más chisporrotearon sobre la superficie del electrodo, cuanto más hidrófobo se volvía. También se volvió más resistente al bloqueo por burbujas más grandes.
La transición es bastante abrupta, Zhang dice:por lo que incluso un pequeño cambio en la humectabilidad, provocado por un pequeño cambio en la cobertura del revestimiento de la superficie, puede alterar drásticamente el rendimiento del sistema. A través de este hallazgo, él dice, "agregamos un nuevo parámetro de diseño, que es la relación entre el diámetro de salida 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 eficacia 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 mediante el revestimiento añadido. Entonces, "manipulando estos dos efectos, en el futuro podremos controlar con precisión estos parámetros de diseño para asegurar que el medio poroso se opere en las condiciones óptimas, ", Dice Zhang. Esto proporcionará a los diseñadores de materiales un conjunto de parámetros para ayudar a guiar su selección de compuestos químicos, métodos de fabricación y tratamientos o revestimientos superficiales con el fin de proporcionar el mejor rendimiento para una aplicación específica.
Si bien los experimentos del grupo se centraron en el proceso de división del agua, los resultados deben ser aplicables a prácticamente cualquier reacción electroquímica que genere gas, el equipo dice, incluidas las reacciones utilizadas para convertir electroquímicamente el dióxido de carbono capturado, por ejemplo, de las emisiones de las centrales eléctricas.
Galante, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice que "lo que es realmente emocionante es que a medida que la tecnología de división del agua continúa desarrollándose, el enfoque del campo se está expandiendo más allá del diseño de materiales catalizadores para diseñar el transporte masivo, hasta el punto en que esta tecnología está preparada para poder escalar ". Si bien aún no se encuentra en la etapa comercializable para el mercado masivo, ella dice, "están llegando allí. Y ahora que estamos empezando a empujar realmente los límites de las tasas de desprendimiento de gas con buenos catalizadores, ya no podemos ignorar las burbujas que están evolucionando, lo cual es una buena señal ".
