Cette image montre l'interaction entre la mouillabilité des électrodes, structure poreuse, et surpotentiel. Avec la diminution de la mouillabilité (de gauche à droite), l'électrode dégageant du gaz passe d'un mode de croissance interne et de départ à un mode rempli de gaz, associée à un changement drastique du comportement des bulles et à une augmentation significative de la surtension. Crédits :Ryuichi Iwata, Lénan Zhang, Evelyne Wang, Betar Gallant et al
L'utilisation de l'électricité pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène peut être un moyen efficace de produire de l'hydrogène à combustion propre, avec d'autres avantages si cette électricité est produite à partir de sources d'énergie renouvelables. Mais à mesure que les technologies de séparation de l'eau s'améliorent, utilisant souvent des matériaux d'électrode poreux pour fournir de plus grandes surfaces pour les réactions électrochimiques, leur efficacité est souvent limitée par la formation de bulles qui peuvent bloquer ou colmater les surfaces réactives.
Maintenant, une étude du MIT a pour la première fois analysé et quantifié la formation de bulles sur ces électrodes poreuses. Les chercheurs ont découvert qu'il existe trois façons différentes pour les bulles de se former à la surface et de s'en éloigner, et que ceux-ci peuvent être contrôlés avec précision en ajustant la composition et le traitement de surface des électrodes.
Les résultats pourraient également s'appliquer à une variété d'autres réactions électrochimiques, y compris ceux utilisés pour la conversion du dioxyde de carbone capturé dans les émissions des centrales électriques ou dans l'air pour former des matières premières de carburant ou de produits chimiques. Le travail est décrit aujourd'hui dans la revue Joule , dans un article du chercheur invité du MIT Ryuichi Iwata, étudiant diplômé Lenan Zhang, les professeurs Evelyn Wang et Betar Gallant, et trois autres.
"La séparation de l'eau est essentiellement un moyen de produire de l'hydrogène à partir d'électricité, et il peut être utilisé pour atténuer les fluctuations de l'approvisionnement énergétique à partir de sources renouvelables, " dit Iwata, l'auteur principal du journal. C'est cette application qui a motivé l'équipe à étudier les limites de ce processus et comment les contrôler.
Parce que la réaction produit constamment du gaz dans un milieu liquide, le gaz forme des bulles qui peuvent bloquer temporairement la surface active de l'électrode. « Le contrôle des bulles est une clé pour obtenir une haute performance du système, " dit Iwata. Mais peu d'études avaient été faites sur les types d'électrodes poreuses qui sont de plus en plus étudiées pour être utilisées dans de tels systèmes.
L'équipe a identifié trois façons différentes dont les bulles peuvent se former et se libérer de la surface. Dans une, appelé croissance interne et départ, les bulles sont minuscules par rapport à la taille des pores de l'électrode. Dans ce cas, les bulles flottent librement et la surface reste relativement claire, favorisant le processus de réaction.
De nouvelles expériences ont montré que la mouillabilité de la surface fait une grande différence dans la façon dont les bulles se forment et quittent la surface. À gauche, une surface poreuse plus mouillable conduit à de petites bulles qui partent rapidement, tandis que la mouillabilité inférieure, droit, conduit à des bulles plus grosses qui obstruent les pores du matériau et réduisent l'efficacité. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Dans un autre régime, les bulles sont plus grosses que les pores, ils ont donc tendance à se coincer et à boucher les ouvertures, réduisant considérablement la réaction. Et dans un troisième, régime intermédiaire, appelé mèche, les bulles sont de taille moyenne et sont encore en partie bloquées, mais parviennent à s'infiltrer par capillarité.
L'équipe a découvert que la variable cruciale pour déterminer lequel de ces régimes a lieu est la mouillabilité de la surface poreuse. Cette qualité, qui détermine si l'eau s'étale uniformément sur la surface ou forme des gouttelettes, peut être contrôlé en ajustant le revêtement appliqué à la surface. L'équipe a utilisé un polymère appelé PTFE, et plus ils en pulvérisaient sur la surface de l'électrode, plus il est devenu hydrophobe. Il est également devenu plus résistant au blocage par des bulles plus grosses.
La transition est assez brutale, Zhang dit, donc même un petit changement de mouillabilité, provoquée par un petit changement dans la couverture du revêtement de surface, peut considérablement altérer les performances du système. A travers ce constat, il dit, "nous avons ajouté un nouveau paramètre de conception, qui est le rapport du diamètre de départ de la bulle [la taille qu'elle atteint avant de se séparer de la surface] et la taille des pores. Il s'agit d'un nouvel indicateur de l'efficacité d'une électrode poreuse."
La taille des pores peut être contrôlée par la façon dont les électrodes poreuses sont fabriquées, et la mouillabilité peut être contrôlée avec précision grâce au revêtement ajouté. Donc, "en manipulant ces deux effets, à l'avenir, nous pourrons contrôler avec précision ces paramètres de conception pour garantir que le milieu poreux fonctionne dans les conditions optimales, " dit Zhang. Cela fournira aux concepteurs de matériaux un ensemble de paramètres pour aider à guider leur sélection de composés chimiques, méthodes de fabrication et traitements de surface ou revêtements afin de fournir les meilleures performances pour une application spécifique.
Alors que les expériences du groupe se sont concentrées sur le processus de fractionnement de l'eau, les résultats devraient être applicables à pratiquement toutes les réactions électrochimiques dégageant des gaz, l'équipe dit, y compris les réactions utilisées pour convertir électrochimiquement le dioxyde de carbone capturé, par exemple des émissions des centrales électriques.
Galant, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, dit que "ce qui est vraiment excitant, c'est qu'à mesure que la technologie de séparation de l'eau continue de se développer, l'objectif du domaine s'étend au-delà de la conception de matériaux catalytiques pour l'ingénierie du transport de masse, au point où cette technologie est prête à évoluer. elle dit, "ils y arrivent. Et maintenant que nous commençons à vraiment repousser les limites des taux de dégagement de gaz avec de bons catalyseurs, nous ne pouvons plus ignorer les bulles qui évoluent, ce qui est bon signe."
