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工業電化學工藝使用電極來生產燃料和化學產品，但上面形成的氣泡會使這一過程受到阻礙。這些氣泡會堵塞部分電極表面，從而減少活性反應區域，據認為可能使電極的性能降低10%-25%。
但是，新研究揭示了幾十年來人們對這種干擾程度的誤解。這些發現準確地展示了阻塞效應是如何起作用的，有望實現新的電極表面設計方法，以在廣泛使用的電化學過程中充分避免效率降低。
長期以來，人們一直認為，每個氣泡所遮蔽的電極區域完全被有效地抑制活性。但事實證明，只有很小區域(大約是氣泡實際接觸表面的區域)的電化學活性受到抑制。這一新見解可能有助于直接實現新的表面圖案化方法，以最大限度地減少接觸面積并提高整體效率。
據外媒報道，麻省理工學院(MIT)等機構的研究團隊提供了一個基于人工智能(AI)的開源軟件工具。現在，工程師們可以利用該工具來自動識別和量化在給定表面上形成的氣泡，而這是控制電極材料特性的第一步。
析氣電極(Gas-evolving electrodes)往往通過催化表面來促進化學反應，被廣泛用于各種工藝，包括綠色制氫(不使用化石燃料)、碳收集工藝(可以減少溫室氣體排放)、鋁生產，以及氯堿工藝(用于制造廣泛使用的化學產品)。這些工藝非常普遍。隨著全球致力于實現溫室氣體減排目標，未來幾年碳收集和制氫工藝可能迅速發展。現在，新發現可能帶來真正的改變。
MIT機械工程教授Kripa Varanasi表示：“這項工作表明，對電極上的氣泡接觸和生長進行設計，可以對氣泡形成和離開表面的方式產生巨大影響。了解到氣泡下的區域可能非常活躍，這帶來了一套新的高性能電極設計規則，以避免氣泡產生有害影響。”
MIT研究生Simon Rufer表示：“以往文獻表明，不僅是小的接觸區域，而且氣泡下的整個區域都被鈍化了。”這項新研究揭示了“兩種模式之間的明顯差異，它改變了開發和設計電極的方式，以盡量減少這些損失”。
為了測試和證明這種效應所產生的影響，該團隊制作了不同版本的電極表面，這些電極表面具有點狀圖案，可以成核和捕獲不同尺寸和間距的氣泡。研究人員能夠證明，具有寬間距點狀團的表面可以形成較大的氣泡，但表面接觸面積很小，這有助于確定氣泡覆蓋的預期影響和實際影響之間的差異。Rufer表示：“開發用于檢測和量化氣泡形成的軟件對于團隊分析來說是必要的。 我們希望收集大量數據，觀察大量不同的電極、不同的反應和不同的氣泡，它們看起來都有些不同。”創建一個程序以處理不同的材料和不同照明，并可靠地識別和跟蹤氣泡，這是一個棘手的過程，而機器學習是讓它發揮作用的關鍵。
使用這個工具，研究人員能夠收集“關于表面上氣泡的大量數據，它們在哪里、有多大，以及生長速度有多快，所有這些不同的東西。”現在，所有人都可以通過GitHub存儲庫免費使用該工具。
通過使用該工具，將關于氣泡形成和演變的視覺測量與電極性能的電學測量聯系起來，研究人員有能力反駁公認的理論，并表明只有直接接觸的區域受到影響。視頻進一步證明了這一點，揭示了新氣泡直接在大氣泡下面部分區域的積極演變。
研究人員開發了一種非常通用的方法，可用于表征和了解氣泡對各種電極或催化劑表面的影響。他們能夠用一種新的性能指標來量化氣泡鈍化效應，這種指標名為BECSA(氣泡誘導電化學活性表面)，而不是在現場使用的ECSA(電化學活性表面積)。Varanasi表示：“BECSA指標是我們在早期研究中定義的一個概念，但在這項工作之前沒有有效的評估方法。”
氣泡下方區域具有明顯的活躍性，這一事實帶來了一套新的高性能電極設計規則。這意味著電極設計者應尋求充分減少氣泡接觸面積，而不僅僅是氣泡覆蓋面積，這可以通過控制電極的形態和化學性質來實現。設計控制氣泡的表面，不僅可以提高工藝的整體效率，從而減少能源使用，還可以節省前期材料成本。許多析氣電極都涂有由鉑或銥等貴金屬制成的催化劑，這項研究成果可用于設計電極，以減少因氣泡阻礙反應而浪費材料。
Varanasi表示，這項研究的見解有助于實現新的電極結構，不僅可以減少使用昂貴的材料，還能夠提高電解器的整體性能，二者均將帶來大規模的環境效益。
浙公網安備 33010602000006號
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