29 mrt. 2021
3 minuten
Het gebruik van elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof kan een effectieve manier zijn om schone waterstof te produceren, met verdere voordelen als die elektriciteit wordt opgewekt uit hernieuwbare energiebronnen. Maar naarmate watersplitsingstechnologieën verbeteren, waarbij vaak poreuze elektrodematerialen worden gebruikt om grotere oppervlakken voor elektrochemische reacties te bieden, wordt hun efficiëntie vaak beperkt door de vorming van bellen die de reactieve oppervlakken kunnen blokkeren of verstoppen. Nu heeft een studie aan het MIT voor het eerst geanalyseerd en gekwantificeerd hoe bellen zich vormen op deze poreuze elektroden.
De onderzoekers hebben ontdekt dat er drie verschillende manieren zijn waarop bellen kunnen ontstaan op en vertrekken van het oppervlak, en dat deze nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd door de samenstelling en oppervlaktebehandeling van de elektroden aan te passen.
Het werk wordt beschreven in het tijdschrift Joule.
"Watersplitsing is in feite een manier om waterstof uit elektriciteit op te wekken, en het kan worden gebruikt om de fluctuaties in de energievoorziening uit hernieuwbare bronnen te reguleren", zegt Iwata, de hoofdauteur van het artikel. Omdat de reactie constant gas produceert in een vloeibaar medium, vormt het gas bellen die het actieve elektrode-oppervlak tijdelijk kunnen blokkeren. "Controle van de bubbels is een sleutel tot het realiseren van hoge systeemprestaties", zegt Iwata. Maar er is weinig onderzoek gedaan naar de soorten poreuze elektroden die in toenemende mate worden bestudeerd voor gebruik in dergelijke systemen.
Het team identificeerde drie verschillende manieren waarop bellen kunnen worden gevormd en van het oppervlak kunnen vrijkomen. In één zijn de bellen klein in verhouding tot de grootte van de poriën in de elektrode. In dat geval drijven bellen vrij weg en blijft het oppervlak relatief helder, wat het reactieproces bevordert. In een ander regime zijn de bellen groter dan de poriën, dus ze hebben de neiging vast te zitten en de openingen te verstoppen, waardoor de reactie aanzienlijk wordt beperkt. En in een derde, tussenliggend regime zijn de bellen middelgroot en nog steeds gedeeltelijk geblokkeerd, maar slagen erin om door capillaire werking naar buiten te sijpelen.
Managen met coatings
Het team ontdekte dat de cruciale variabele bij het bepalen welke van deze regimes plaatsvindt, de bevochtigbaarheid van het poreuze oppervlak is. Deze kwaliteit, die bepaalt of het water zich gelijkmatig over het oppervlak verspreidt of in druppeltjes parelt, kan worden gecontroleerd door de op het oppervlak aangebrachte coating aan te passen. Het team gebruikte het polymeer PTFE, en hoe meer ze op het elektrodeoppervlak spetterden, hoe hydrofober het werd. Het werd ook beter bestand tegen verstopping door grotere bellen.
De overgang is vrij abrupt, zegt Zhang, dus zelfs een kleine verandering in bevochtigbaarheid, veroorzaakt door een kleine verandering in de dekking van de oppervlaktecoating, kan de prestaties van het systeem drastisch veranderen. Door deze bevinding, zegt hij, "hebben we een nieuwe ontwerpparameter toegevoegd, namelijk de verhouding tussen de diameter van de luchtbel [de grootte die hij bereikt voordat hij van het oppervlak loskomt] en de poriegrootte. Dit is een nieuwe indicator voor de effectiviteit van een poreuze elektrode."
De poriegrootte kan worden geregeld door de manier waarop de poreuze elektroden worden gemaakt, en de bevochtigbaarheid kan nauwkeurig worden geregeld door de toegevoegde coating. Dus, "door deze twee effecten te manipuleren, kunnen we in de toekomst deze ontwerpparameters nauwkeurig regelen om ervoor te zorgen dat het poreuze medium onder de optimale omstandigheden wordt gebruikt", zegt Zhang. Dit zal materiaalontwerpers voorzien van een reeks parameters om hun selectie van chemische verbindingen, fabricagemethoden en oppervlaktebehandelingen of coatings te begeleiden om de beste prestaties te leveren voor een specifieke toepassing.
Terwijl de experimenten van de groep zich concentreerden op het watersplitsingsproces, zouden de resultaten van toepassing moeten zijn op vrijwel elke gasontwikkelende elektrochemische reactie, zegt het team, inclusief reacties die worden gebruikt om afgevangen kooldioxide elektrochemisch om te zetten, bijvoorbeeld uit emissies van energiecentrales.
Anderen lazen ook
