Questa immagine mostra l'interazione tra bagnabilità dell'elettrodo, struttura porosa, e sovrapotenziale. Con la diminuzione della bagnabilità (spostandosi da sinistra a destra), l'elettrodo in evoluzione del gas passa da una modalità di crescita e partenza interna a una modalità a gas, associato a un drastico cambiamento dei comportamenti delle bolle e un aumento significativo del potenziale eccessivo. Credito:Ryuichi Iwata, Lenan Zhang, Evelyn Wang, Betar Gallant et al
L'uso dell'elettricità per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno può essere un modo efficace per produrre combustibile a idrogeno a combustione pulita, con ulteriori benefici se tale elettricità è generata da fonti energetiche rinnovabili. Ma man mano che le tecnologie di scissione dell'acqua migliorano, spesso utilizzando materiali elettrodici porosi per fornire maggiori aree superficiali per reazioni elettrochimiche, la loro efficacia è spesso limitata dalla formazione di bolle che possono bloccare o intasare le superfici reattive.
Ora, uno studio al MIT ha per la prima volta analizzato e quantificato come si formano le bolle su questi elettrodi porosi. I ricercatori hanno scoperto che ci sono tre modi diversi in cui le bolle possono formarsi e allontanarsi dalla superficie, e che questi possono essere controllati con precisione regolando la composizione e il trattamento superficiale degli elettrodi.
I risultati potrebbero applicarsi anche a una varietà di altre reazioni elettrochimiche, compresi quelli utilizzati per la conversione dell'anidride carbonica catturata dalle emissioni delle centrali elettriche o dall'aria per formare combustibili o materie prime chimiche. Il lavoro è descritto oggi sulla rivista Joule , in un articolo dello studioso in visita del MIT Ryuichi Iwata, studente laureato Lenan Zhang, i professori Evelyn Wang e Betar Gallant, e altri tre.
"La scissione dell'acqua è fondamentalmente un modo per generare idrogeno dall'elettricità, e può essere utilizzato per mitigare le fluttuazioni dell'approvvigionamento energetico da fonti rinnovabili, "dice Iwata, l'autore principale del documento. Quell'applicazione è stata ciò che ha motivato il team a studiare i limiti di quel processo e come potevano essere controllati.
Poiché la reazione produce costantemente gas all'interno di un mezzo liquido, il gas forma bolle che possono bloccare temporaneamente la superficie dell'elettrodo attivo. "Il controllo delle bolle è una chiave per realizzare un sistema ad alte prestazioni, " Dice Iwata. Ma sono stati fatti pochi studi sui tipi di elettrodi porosi che vengono sempre più studiati per l'uso in tali sistemi.
Il team ha identificato tre diversi modi in cui le bolle possono formarsi e rilasciarsi dalla superficie. In uno, soprannominata crescita interna e partenza, le bolle sono minuscole rispetto alla dimensione dei pori nell'elettrodo. In quel caso, le bolle galleggiano liberamente e la superficie rimane relativamente chiara, promuovere il processo di reazione.
Nuovi esperimenti hanno mostrato che la bagnabilità della superficie fa una grande differenza nel modo in cui le bolle si formano e lasciano la superficie. Sulla sinistra, una superficie porosa a maggiore bagnabilità porta a piccole bolle che se ne vanno rapidamente, mentre minore bagnabilità, Giusto, porta a bolle più grandi che ostruiscono i pori del materiale e riducono l'efficienza. Credito:Massachusetts Institute of Technology
In un altro regime, le bolle sono più grandi dei pori, quindi tendono ad incastrarsi e ad intasare le aperture, limitando notevolmente la reazione. E in un terzo, regime intermedio, chiamato wicking, le bolle sono di media grandezza e sono ancora in parte ostruite, ma riescono a fuoriuscire per capillarità.
Il team ha scoperto che la variabile cruciale nel determinare quale di questi regimi ha luogo è la bagnabilità della superficie porosa. Questa qualità, che determina se l'acqua si distribuisce uniformemente sulla superficie o si accumula in goccioline, può essere controllato regolando il rivestimento applicato sulla superficie. Il team ha utilizzato un polimero chiamato PTFE, e più ne spruzzavano sulla superficie dell'elettrodo, più diventava idrofobo. È diventato anche più resistente al blocco da bolle più grandi.
Il passaggio è piuttosto brusco, Zhang dice, quindi anche un piccolo cambiamento nella bagnabilità, determinato da un piccolo cambiamento nella copertura del rivestimento superficiale, può alterare drasticamente le prestazioni del sistema. Attraverso questo ritrovamento, lui dice, "abbiamo aggiunto un nuovo parametro di progettazione, che è il rapporto tra il diametro di partenza della bolla [la dimensione che raggiunge prima di separarsi dalla superficie] e la dimensione dei pori. Questo è un nuovo indicatore dell'efficacia di un elettrodo poroso".
La dimensione dei pori può essere controllata attraverso il modo in cui sono realizzati gli elettrodi porosi, e la bagnabilità può essere controllata con precisione attraverso il rivestimento aggiunto. Così, "manipolando questi due effetti, in futuro potremo controllare con precisione questi parametri di progettazione per garantire che il mezzo poroso venga utilizzato nelle condizioni ottimali, " dice Zhang. Ciò fornirà ai progettisti di materiali una serie di parametri per guidare la loro selezione di composti chimici, metodi di produzione e trattamenti superficiali o rivestimenti al fine di fornire le migliori prestazioni per una specifica applicazione.
Mentre gli esperimenti del gruppo si concentravano sul processo di scissione dell'acqua, i risultati dovrebbero essere applicabili praticamente a qualsiasi reazione elettrochimica in evoluzione del gas, la squadra dice comprese le reazioni utilizzate per convertire elettrochimicamente l'anidride carbonica catturata, per esempio dalle emissioni delle centrali elettriche.
Galante, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, afferma che "la cosa veramente eccitante è che mentre la tecnologia di scissione dell'acqua continua a svilupparsi, l'attenzione del settore si sta espandendo oltre la progettazione di materiali catalizzatori per l'ingegneria del trasporto di massa, al punto in cui questa tecnologia è pronta per essere in grado di scalare." Anche se non è ancora nella fase di commercializzazione per il mercato di massa, lei dice, "Ci stanno arrivando. E ora che stiamo iniziando a spingere davvero i limiti dei tassi di evoluzione del gas con buoni catalizzatori, non possiamo più ignorare le bolle che si stanno evolvendo, che è un buon segno."
