Ново проучване открива пътя към по-ефективни електрохимични процеси

Индустриалните електрохимични процеси, използвани за производството на горива и химични продукти, се възпрепятстват от формирането на мехурчета, които блокират части от повърхността на електродите, редуцирайки наличната площ за протичане на активната реакция. Такова блокиране редуцира ефективността на електродите с 10 до 25%.

Ново проучване на изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) разкрива дългогодишно погрешно схващане за степента на това смущение. Откритията показват как точно действа блокиращият ефект и могат да доведат до нови начини за разработване на електродни повърхности с цел минимизиране на неефективностите в тези широко прилагани електрохимични процеси.

В продължение на десетилетия се смята, че цялата площ от електрода, засенчвана от всяко мехурче, на практика се деактивира. Оказва се обаче, че електрохимичната активност се блокира в много по-малка площ – приблизително площта, където мехурчето в действителност влиза в контакт с повърхността. Тези нови прозрения могат да доведат директно до нови начини за текстуриране на повърхностите с оглед свеждане до минимум на контактната площ и подобряване на общата ефективност.

Очаквания за реална промяна

Откритията са докладвани в научния журнал Nanoscale в статия с автори Джак Лейк, дипломирал се наскоро докторант в MIT, Саймън Рафър, студент в института, Крипа Варанаси, професор по машинно инженерство, Бен Блайзик, изследовател, и шестима други учени от Университета в Чикаго и Аргонската национална лаборатория към Министерството на енергетиката на САЩ. Екипът предоставя софтуерен инструмент с отворен код и базиран на изкуствен интелект, който инженерите и учените могат да използват за автоматично откриване и количествено определяне на мехурчета, формирани на дадена повърхност, като първа стъпка към контролирането на свойствата на материала, от който е изработен електродът.

Електродите, при които се отделят мехурчета газ, често са с каталитични повърхности, насърчаващи протичането на химични реакции, и се използват в широк диапазон от процеси, включително получаването на зелен водород (без употребата на изкопаеми горива), процесите на улавяне на въглероден диоксид, и хлоралкалния процес, прилаган за производството на редица химични продукти.

Това са много широко разпространени процеси. Само хлоралкалният процес отговаря за 2% от енергопотреблението в САЩ, а производството на алуминий отговаря за 3% от глобалната консумация на енергия. Очаква се през идните години да се наблюдава бърз ръст и при улавянето на въглероден диоксид, и при производството на водород предвид стремежа на света да постигне целите за редуциране на емисиите на парникови газове. Затова новите открития биха могли да доведат до реална промяна, казва Варанаси.

“Работата ни демонстрира, че инженерният подход към контакта и формирането на мехурчета на електродите може да има драстичен ефект по отношение на това как те се образуват и се отделят от повърхността. Информацията, че зоната под мехурчетата може да бъде активна в значителна степен, разкрива нов набор от правила за проектиране на високоефективни електроди, способни да избегнат неблагоприятните въздействия на мехурчетата”, допълва той.

“Литературата от последните няколко десетилетия предполага, че не само тази малка зона на контакт, а цялата повърхност под мехурчето се пасивира”, казва Рафър. Новото проучване разкрива “съществена разлика между двата модела, защото променя начина, по който би бил разработен и проектиран един електрод с оглед минимизиране на тези загуби”.

Изместване на фокуса при проектиране на електроди

За да тества и демонстрира въздействието от този ефект, екипът произвежда различни варианти на електродните повърхности с текстури от точки на различни разстояния, които улавят мехурчета с различни размери. Те показват, че повърхностите с точки на по-големи разстояния водят до получаването на по-големи мехурчета, но зоните на контакт са малки, което спомага за изясняване на разликата между очаквания и действителния ефект от засенчването.
Разработването на софтуера за откриване и количествено характеризиране на формирането на мехурчета е необходимо за анализа на екипа, обяснява Рафър. “Искахме да съберем много данни и да разгледаме различни електроди и различни реакции и мехурчета и всички те изглеждаха малко различно”, казва той. Създаването на програма, която може да се справи с различни материали и осветление и надеждно да идентифицира и проследява мехурчетата, не е лесен процес и ключът към успеха е машинното самообучение, допълва той.

Използвайки този инструмент учените успяват да съберат значителни количества данни за мехурчетата по повърхността, къде се намират те, колко са големи, колко бързо се разрастват и др. Инструментът сега е достъпен безплатно за всеки в платформата GitHub.

Чрез използването му за корелация на визуалните измерения на формирането и отделянето на мехурчета и електрическите измервания за ефективността на електрода учените опровергават възприетата теория и доказват, че само зоната на директен контакт е засегната. Видео материали допълнително потвърждават този факт, разкривайки активното отделяне на нови мехурчета директно под части от по-голямо мехурче.

Благодарение на откритията на учените от MIT фокусът при разработване на електроди ще се измести към минимизиране на зоната на контакт с мехурчетата, което може да бъде постигнато чрез контролирането на морфологията и химичния състав на електродите. Повърхностите, способни да контролират отделящите се мехурчета, могат не само да подобрят общата ефективност на процесите и по този начин да редуцират енергопотреблението, но и да доведат до спестявания на разходи за материали.