Neue Erkenntnisse zur Blaseninterferenz könnten das Elektrodendesign verbessern

Industrielle elektrochemische Prozesse, bei denen Elektroden zur Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Produkten verwendet werden, werden durch die Bildung von Blasen behindert, die Teile der Elektrodenoberfläche blockieren und so die für die aktive Reaktion verfügbare Fläche verringern. Eine solche Verstopfung verringert die Leistung der Elektroden um 10 bis 25 %.

Doch neue Forschungsergebnisse offenbaren ein jahrzehntelanges Missverständnis über das Ausmaß dieser Beeinträchtigung. Die Ergebnisse zeigen genau, wie der Blockierungseffekt funktioniert, und könnten zu neuen Möglichkeiten für die Gestaltung von Elektrodenoberflächen führen, um Ineffizienzen bei diesen weit verbreiteten elektrochemischen Prozessen zu minimieren.

Es wurde lange angenommen, dass der gesamte Bereich der Elektrode, der von jeder Blase beschattet wird, effektiv inaktiviert wird. Es stellt sich jedoch heraus, dass ein viel kleinerer Bereich – ungefähr der Bereich, in dem die Blase tatsächlich die Oberfläche berührt – von ihrer elektrochemischen Aktivität blockiert ist. Die neuen Erkenntnisse könnten direkt zu neuen Möglichkeiten der Oberflächenstrukturierung führen, um die Kontaktfläche zu minimieren und die Gesamteffizienz zu verbessern.

Die Ergebnisse sind gemeldet heute im Journal Nanoskaligin einem Artikel des jüngsten MIT-Absolventen Jack Lake Ph.D. ’23, Doktorand Simon Rufer, Professor für Maschinenbau Kripa Varanasi, Forschungswissenschaftler Ben Blaiszik und sechs weitere an der University of Chicago und dem Argonne National Laboratory. Das Team hat ein Open-Source-Softwaretool auf KI-Basis zur Verfügung gestellt, mit dem Ingenieure und Wissenschaftler nun automatisch auf einer bestimmten Oberfläche gebildete Blasen erkennen und quantifizieren können, als ersten Schritt zur Steuerung der Eigenschaften des Elektrodenmaterials.

Gaserzeugende Elektroden, oft mit katalytischen Oberflächen, die chemische Reaktionen fördern, werden in einer Vielzahl von Prozessen eingesetzt, darunter die Herstellung von „grünem“ Wasserstoff ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe, Kohlenstoffabscheidungsprozesse, die Treibhausgasemissionen reduzieren können, und Aluminium Produktion und das Chlor-Alkali-Verfahren, das zur Herstellung weit verbreiteter chemischer Produkte verwendet wird.

Dabei handelt es sich um sehr weitverbreitete Prozesse. Allein der Chlor-Alkali-Prozess macht 2 % des gesamten US-Stromverbrauchs aus; Die Aluminiumproduktion macht 3 % des weltweiten Stroms aus; und sowohl die Kohlenstoffabscheidung als auch die Wasserstoffproduktion werden in den kommenden Jahren wahrscheinlich schnell zunehmen, da die Welt bestrebt ist, die Ziele zur Treibhausgasreduzierung zu erreichen. Die neuen Erkenntnisse könnten also einen echten Unterschied machen, sagt Varanasi.

„Unsere Arbeit zeigt, dass die gezielte Steuerung des Kontakts und des Blasenwachstums auf Elektroden dramatische Auswirkungen darauf haben kann, wie sich Blasen bilden und wie sie die Oberfläche verlassen“, sagt er. „Das Wissen, dass der Bereich unter Blasen sehr aktiv sein kann, führt zu neuen Designregeln für Hochleistungselektroden, um die schädlichen Auswirkungen von Blasen zu vermeiden.“

„Die umfassendere Literatur, die in den letzten Jahrzehnten erstellt wurde, legt nahe, dass nicht nur dieser kleine Kontaktbereich, sondern der gesamte Bereich unter der Blase passiviert ist“, sagt Rufer. Die neue Studie deckt „einen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Modellen auf, weil sie die Art und Weise verändert, wie man eine Elektrode entwickeln und entwerfen würde, um diese Verluste zu minimieren.“

Um die Auswirkungen dieses Effekts zu testen und zu demonstrieren, produzierte das Team verschiedene Versionen von Elektrodenoberflächen mit Punktmustern, die Blasen in unterschiedlichen Größen und Abständen bildeten und einschlossen. Sie konnten zeigen, dass Oberflächen mit weit auseinander liegenden Punkten große Blasengrößen, aber nur winzige Oberflächenkontaktbereiche begünstigen, was dazu beitrug, den Unterschied zwischen den erwarteten und tatsächlichen Auswirkungen der Blasenbedeckung deutlich zu machen.

Für die Analyse des Teams sei die Entwicklung der Software zur Erkennung und Quantifizierung der Blasenbildung notwendig gewesen, erklärt Rufer. „Wir wollten viele Daten sammeln und uns viele verschiedene Elektroden, verschiedene Reaktionen und verschiedene Blasen ansehen, und sie sehen alle etwas anders aus“, sagt er. Die Entwicklung eines Programms, das mit verschiedenen Materialien und unterschiedlicher Beleuchtung umgehen und die Blasen zuverlässig identifizieren und verfolgen kann, sei ein kniffliger Prozess gewesen, und maschinelles Lernen sei der Schlüssel zum Erfolg gewesen, sagt er.

Mit diesem Tool, sagt er, konnten sie „wirklich erhebliche Datenmengen über die Blasen auf einer Oberfläche sammeln, wo sie sich befinden, wie groß sie sind, wie schnell sie wachsen und all diese verschiedenen Dinge“. Das Tool ist jetzt über das GitHub-Repository für jedermann kostenlos verfügbar.

Durch die Verwendung dieses Tools zur Korrelation der visuellen Messungen der Blasenbildung und -entwicklung mit elektrischen Messungen der Elektrodenleistung konnten die Forscher die akzeptierte Theorie widerlegen und zeigen, dass nur der Bereich des direkten Kontakts betroffen ist. Videos bewiesen dies weiter und zeigten, dass sich direkt unter Teilen einer größeren Blase aktiv neue Blasen entwickeln.

Die Forscher entwickelten eine sehr allgemeine Methodik, mit der sich die Auswirkungen von Blasen auf jede Elektroden- oder Katalysatoroberfläche charakterisieren und verstehen lassen. Sie konnten die Blasenpassivierungseffekte in einer neuen Leistungsmetrik quantifizieren, die sie BECSA (Bubble-induzierte elektrochemisch aktive Oberfläche) nennen, im Gegensatz zu ECSA (elektrochemisch aktive Oberfläche), die in diesem Bereich verwendet wird. „Die BECSA-Metrik war ein Konzept, das wir in einer früheren Studie definiert hatten, aber bis zu dieser Arbeit hatten wir keine wirksame Methode zur Schätzung“, sagt Varanasi.

Die Erkenntnis, dass der Bereich unter Blasen erheblich aktiv sein kann, führt zu neuen Designregeln für Hochleistungselektroden. Dies bedeutet, dass Elektrodendesigner darauf achten sollten, die Blasenkontaktfläche zu minimieren und nicht nur die Blasenbedeckung, was durch die Kontrolle der Morphologie und Chemie der Elektroden erreicht werden kann.

Oberflächen, die zur Blasenkontrolle entwickelt wurden, können nicht nur die Gesamteffizienz der Prozesse verbessern und so den Energieverbrauch senken, sondern auch Vorlaufkosten für Materialien einsparen. Viele dieser gasentwickelnden Elektroden sind mit Katalysatoren aus teuren Metallen wie Platin oder Iridium beschichtet, und die Erkenntnisse aus dieser Arbeit können zur Entwicklung von Elektroden genutzt werden, um die Materialverschwendung durch reaktionsblockierende Blasen zu reduzieren.

Varanasi sagt, dass „die Erkenntnisse aus dieser Arbeit neue Elektrodenarchitekturen inspirieren könnten, die nicht nur den Einsatz wertvoller Materialien reduzieren, sondern auch die Gesamtleistung des Elektrolyseurs verbessern“, was beides große Vorteile für die Umwelt mit sich bringen würde.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.