Att använda el för att dela upp vatten till väte och syre kan vara ett effektivt sätt att producera rent vätgasbränsle, med ytterligare fördelar om den elen genereras från förnybara energikällor. Men allt eftersom vattenuppdelningstekniken förbättras, använder ofta porösa elektrodmaterial för att ge större ytareor för elektrokemiska reaktioner, deras effektivitet begränsas ofta av bildandet av bubblor som kan blockera eller täppa till de reaktiva ytorna.

Nu, en studie vid MIT har för första gången analyserat och kvantifierat hur bubblor bildas på dessa porösa elektroder. Forskarna har funnit att det finns tre olika sätt som bubblor kan bildas på och avgå från ytan, och att dessa kan styras exakt genom att justera elektrodernas sammansättning och ytbehandling.

Fynden kan även gälla en mängd andra elektrokemiska reaktioner, inklusive de som används för omvandling av koldioxid som fångas upp från kraftverksutsläpp eller luft för att bilda bränsle eller kemiska råvaror. Arbetet beskrivs idag i tidskriften Joule , i en uppsats av MIT gästforskare Ryuichi Iwata, doktorand Lenan Zhang, professorerna Evelyn Wang och Betar Gallant, och tre andra.

"Vattenfördelning är i grunden ett sätt att generera väte ur el, och det kan användas för att mildra fluktuationerna i energiförsörjningen från förnybara källor, " säger Iwata, tidningens huvudförfattare. Den applikationen var det som motiverade teamet att studera begränsningarna för den processen och hur de kunde kontrolleras.

Eftersom reaktionen ständigt producerar gas i ett flytande medium, gasen bildar bubblor som tillfälligt kan blockera den aktiva elektrodytan. "Kontroll över bubblorna är nyckeln till att uppnå en hög systemprestanda, " säger Iwata. Men få studier har gjorts på de typer av porösa elektroder som alltmer studeras för användning i sådana system.

Teamet identifierade tre olika sätt som bubblor kan bildas och frigöras från ytan. I ett, kallad intern tillväxt och avgång, bubblorna är små i förhållande till storleken på porerna i elektroden. Isåfall, bubblor flyter iväg fritt och ytan förblir relativt klar, främja reaktionsprocessen.

I en annan regim, bubblorna är större än porerna, så de tenderar att fastna och täppa till öppningarna, minskar reaktionen avsevärt. Och i en tredje, mellanliggande regim, kallas wicking, bubblorna är medelstora och är fortfarande delvis blockerade, men lyckas sippra ut genom kapillärverkan.

Teamet fann att den avgörande variabeln för att bestämma vilken av dessa regimer som äger rum är den porösa ytans vätbarhet. Denna kvalitet, som avgör om vatten sprider sig jämnt över ytan eller pärlor upp till droppar, kan styras genom att justera beläggningen som appliceras på ytan. Teamet använde en polymer som heter PTFE, och ju mer av det de sprutade på elektrodytan, desto mer hydrofob blev den. Det blev också mer motståndskraftigt mot blockering av större bubblor.

Övergången är ganska abrupt, Zhang säger, så även en liten förändring i vätbarhet, orsakas av en liten förändring i ytbeläggningens täckning, kan dramatiskt förändra systemets prestanda. Genom detta fynd, han säger, "vi har lagt till en ny designparameter, vilket är förhållandet mellan bubbelavgångsdiametern [storleken den når innan den separeras från ytan] och porstorleken. Detta är en ny indikator för effektiviteten hos en porös elektrod."

Porstorleken kan kontrolleras genom hur de porösa elektroderna är tillverkade, och vätbarheten kan kontrolleras exakt genom den tillsatta beläggningen. Så, "genom att manipulera dessa två effekter, i framtiden kan vi exakt kontrollera dessa designparametrar för att säkerställa att det porösa mediet drivs under optimala förhållanden, ", säger Zhang. Detta kommer att ge materialdesigners en uppsättning parametrar för att vägleda deras val av kemiska föreningar, tillverkningsmetoder och ytbehandlingar eller beläggningar för att ge bästa prestanda för en specifik tillämpning.

Medan gruppens experiment fokuserade på vattenklyvningsprocessen, resultaten bör kunna tillämpas på praktiskt taget alla gasutvecklande elektrokemiska reaktioner, laget säger, inklusive reaktioner som används för att elektrokemiskt omvandla infångad koldioxid, till exempel från kraftverksutsläpp.

Galant, en docent i maskinteknik vid MIT, säger att "det som verkligen är spännande är att när tekniken för vattendelning fortsätter att utvecklas, fältets fokus expanderar bortom att designa katalysatormaterial till att konstruera masstransport, till den punkt där den här tekniken är redo att kunna skalas." Även om den fortfarande inte är i det kommersialiserbara massmarknadsstadiet, hon säger, "de kommer dit. Och nu när vi verkligen börjar tänja på gränserna för gasutvecklingshastigheter med bra katalysatorer, vi kan inte ignorera bubblorna som utvecklas längre, vilket är ett gott tecken."