对气泡干扰的新见解可以增强电极设计

使用电极生产燃料和化学产品的工业电化学过程受到气泡形成的阻碍，气泡堵塞了电极表面的一部分，减少了可用于活性反应的面积。这种堵塞会使电极的性能降低10%至25%

但新的研究揭示了人们对这种干扰程度长达数十年的误解。这些发现准确地显示了阻断效应是如何起作用的，并可能导致设计电极表面的新方法，以尽量减少这些广泛使用的电化学过程中的低效率

长期以来，人们一直认为每个气泡遮挡的电极的整个区域都会被有效地灭活。但事实证明，一个小得多的区域——大致是气泡实际接触表面的区域——被阻断了电化学活性。新的见解可以直接导致图案化表面的新方法，以最小化接触面积并提高整体效率

这些发现今天发表在《纳米尺度》杂志上，发表在麻省理工学院23届毕业生Jack Lake博士、研究生Simon Rufer、机械工程教授Kripa Varanasi、研究科学家Ben Blaiszik以及芝加哥大学和阿贡国家实验室的其他六人的一篇论文中。该团队提供了一种基于人工智能的开源软件工具，工程师和科学家现在可以使用该工具自动识别和量化在给定表面上形成的气泡，作为控制电极材料性能的第一步

来源：麻省理工学院

气体释放电极通常具有促进化学反应的催化表面，用于各种工艺，包括在不使用化石燃料的情况下生产“绿色”氢气、可以减少温室气体排放的碳捕获工艺、铝生产以及用于制造广泛使用的化学产品的氯碱工艺

这些都是非常普遍的过程。仅氯碱工艺就占美国所有用电量的2%；铝产量占全球电力的3%；随着世界努力实现温室气体减排目标，碳捕获和氢气生产在未来几年可能会迅速增长。瓦拉纳西说，因此，新的发现可能会产生真正的影响

“我们的工作表明，设计电极上气泡的接触和生长可以对气泡的形成和离开表面产生巨大的影响，”他说。“气泡下的区域可能非常活跃，这一知识为高性能电极引入了一套新的设计规则，以避免气泡的有害影响。”Rufer说：“过去几十年建立的更广泛的文献表明，不仅接触的小区域，而且气泡下的整个区域都被钝化了。”。这项新研究揭示了“两种模型之间的显著差异，因为它改变了你开发和设计电极的方式，以最大限度地减少这些损失。”

为了测试和证明这种效应的影响，研究小组制作了不同版本的电极表面，其上有不同大小和间距的成核和捕获气泡的点状图案。他们能够证明，具有宽间距点的表面促进了大气泡尺寸，但只有很小的表面接触区域，这有助于明确气泡覆盖的预期和实际效果之间的差异

Rufer解释说，开发检测和量化气泡形成的软件对于团队的分析是必要的。他说：“我们想收集大量数据，观察许多不同的电极、不同的反应和不同的气泡，它们看起来都略有不同。”。他说，创建一个可以处理不同材料和不同照明并可靠地识别和跟踪气泡的程序是一个棘手的过程，机器学习是使其工作的关键

他说，使用该工具，他们能够收集“关于表面上气泡的大量数据，它们在哪里，有多大，增长有多快，所有这些不同的东西。”该工具现在可以通过GitHub存储库免费供任何人使用

通过使用该工具将气泡形成和演化的视觉测量与电极性能的电学测量相关联，研究人员能够反驳公认的理论，并表明只有直接接触的区域受到影响。视频进一步证明了这一点，揭示了新的泡沫直接在更大泡沫的部分下积极演变

研究人员开发了一种非常通用的方法，可用于表征和理解气泡对任何电极或催化剂表面的影响。他们能够量化他们称之为BECSA（气泡诱导电化学活性表面）的新性能指标中的气泡钝化效应，而不是该领域使用的ECSA（电化学活性表面积）。瓦拉纳西说：“BECSA指标是我们在早期研究中定义的一个概念，但在这项工作之前，还没有一种有效的方法来估算。”

气泡下的区域可能非常活跃的知识为高性能电极带来了一套新的设计规则。这意味着电极设计者应该寻求最小化气泡接触面积，而不是简单地覆盖气泡，这可以通过控制电极的形态和化学来实现

设计用于控制气泡的表面不仅可以提高工艺的整体效率，从而减少能源使用，还可以节省前期材料成本。许多这些析气电极都涂有由铂或铱等昂贵金属制成的催化剂，这项工作的发现可用于设计电极，以减少反应阻断气泡造成的材料浪费

瓦拉纳西说，“这项工作的见解可以激发新的电极结构，不仅可以减少贵重材料的使用，还可以提高电解槽的整体性能”，这两者都将带来大规模的环境效益 More information: Jack R. Lake et al, Machine learning-guided discovery of gas evolving electrode bubble inactivation, Nanoscale (2024). DOI: 10.1039/D4NR02628D, pubs.rsc.org/en/content/articl … g/2024/nr/d4nr02628d

Journal information: Nanoscale