EO

Belvorming op elektroden beheersen

30 maart 2021 om 00:00 uur

Onderzoek wijst uit dat de bevochtigbaarheid van poreuze elektrode-oppervlakken de sleutel is tot het maken van efficiënte watersplitsings- of koolstofopvangsystemen.

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.

 

Gerelateerd nieuws

Geoptimaliseerde verbindingstechnologie opent de deur naar veilig gebruik van waterstof in de luchtvaart

Magnetisch pulslassen maakt waterstofsystemen veilig voor vliegtuigen

Milieuvriendelijk vliegen op waterstof klinkt leuk, maar hoe maak je een veilig systeem voor deze cryogene brandstof die pas bij -253 graden Celsius bruikbaar is? Zowel tanks als leidingsystemen moeten bij zulke lage…

Minder dan een nanometer dik, sterker en veelzijdiger dan staal

Minder dan een nanometer dik, sterker en veelzijdiger dan staal

Wetenschappers zijn erin geslaagd omstabiele nanovellen te produceren met boor- en waterstofatomen. Dit biedt kansen voor de nano-elektronica en kwantuminformatietechnologie.

Met dertig 3D-geprinte autoonderdelen de Dakar door

Met dertig 3D-geprinte auto-onderdelen de Dakar door

Prodrive en het Koninkrijk Bahrein, die dit jaar 5e zijn geworden in de Dakar Rally, deden dat in een auto met dertig 3D-geprinte onderdelen. Reden? Door Covid-19 kon het team pas in oktober 2020 de fabriek in.

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

19 april 2021, online

KNAW-webinar: Wiskunde in tijden van corona

Epidemiologische modellen brengen de verspreiding van infectieziekten binnen sociale netwerken in kaart...

20 april 2021, online

Webinar over Europese normalisatie in staalsector

Webinar over de herstructurering van de Europese normalisatie in de staalsector.

18 mei 2021, 18, 19 en 20 mei 2021

Machineveiligheid in vogelvlucht (online training)

Meer agendapunten »