Ergebnisse der Blasenforschung könnten zu besseren Elektroden- und Elektrolyseur-Designs führen
Studie über Blasen auf Elektrodenoberflächen könnte helfen, die Effizienz elektrochemischer Prozesse zur Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien zu 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 die für die aktive Reaktion verfügbare Fläche verringern. Eine solche Verstopfung verringert die Leistung der Elektroden um 10 bis 25 Prozent.
Neue Forschungsergebnisse decken jedoch ein jahrzehntelanges Missverständnis über das Ausmaß dieser Störung auf. Die Ergebnisse zeigen genau, wie der Blockierungseffekt funktioniert, und könnten zu neuen Wegen bei der Gestaltung von Elektrodenoberflächen führen, um Ineffizienzen bei diesen weit verbreiteten elektrochemischen Prozessen zu minimieren.
Lange Zeit ging man davon aus, dass der gesamte Bereich der Elektrode, der von jeder Blase beschattet wird, effektiv inaktiviert wird. Es stellte sich jedoch heraus, dass ein viel kleinerer Bereich - etwa der Bereich, in dem die Blase tatsächlich die Oberfläche berührt - von ihrer elektrochemischen Aktivität abgeschnitten ist. Die neuen Erkenntnisse könnten direkt zu neuen Möglichkeiten der Oberflächengestaltung führen, um die Kontaktfläche zu minimieren und die Gesamteffizienz zu verbessern.
Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Nanoscale in einer Arbeit des MIT-Absolventen Jack Lake PhD '23, des Doktoranden Simon Rufer, des Professors für Maschinenbau Kripa Varanasi, des Forschers Ben Blaiszik und sechs weiterer Wissenschaftler der University of Chicago und des Argonne National Laboratory veröffentlicht. Das Team hat ein Open-Source-Softwaretool auf KI-Basis zur Verfügung gestellt, mit dem Ingenieure und Wissenschaftler nun automatisch Blasen erkennen und quantifizieren können, die sich auf einer bestimmten Oberfläche bilden - ein erster Schritt zur Steuerung der Eigenschaften des Elektrodenmaterials.
Gasentwickelnde Elektroden, oft mit katalytischen Oberflächen, die chemische Reaktionen begünstigen, werden in einer Vielzahl von Prozessen eingesetzt, z. B. bei der Herstellung von "grünem" Wasserstoff ohne fossile Brennstoffe, bei Verfahren zur Abscheidung von Kohlenstoff, die den Ausstoß von Treibhausgasen verringern können, bei der Aluminiumherstellung und beim Chlor-Alkali-Verfahren, das zur Herstellung weit verbreiteter chemischer Produkte verwendet wird.
Diese Verfahren sind sehr weit verbreitet. Allein auf den Chloralkaliprozess entfallen 2 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in den USA; die Aluminiumproduktion verbraucht 3 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs; und sowohl die Kohlenstoffabscheidung als auch die Wasserstoffproduktion werden in den kommenden Jahren wahrscheinlich rasch zunehmen, da die Welt bestrebt ist, die Ziele zur Reduzierung der Treibhausgase zu erreichen. Die neuen Erkenntnisse könnten also einen echten Unterschied machen, sagt Varanasi.
"Unsere Arbeit zeigt, dass die Gestaltung des Kontakts und des Wachstums von Blasen auf Elektroden dramatische Auswirkungen darauf haben kann, wie sich Blasen bilden und wie sie die Oberfläche verlassen", sagt er. "Das Wissen, dass die Fläche unter den Blasen signifikant aktiv sein kann, führt zu einer neuen Reihe von Designregeln für Hochleistungselektroden, um die schädlichen Auswirkungen von Blasen zu vermeiden.
"Die breitere Literatur der letzten Jahrzehnte legt nahe, dass nicht nur dieser kleine Kontaktbereich, sondern der gesamte Bereich unter der Blase passiviert ist", sagt Rufer. Die neue Studie offenbart "einen bedeutenden Unterschied zwischen den beiden Modellen, denn sie ändert die Art und Weise, wie man eine Elektrode entwickeln und gestalten würde, um diese Verluste zu minimieren."
Um die Auswirkungen dieses Effekts zu testen und zu demonstrieren, stellte das Team verschiedene Versionen von Elektrodenoberflächen mit Punktmustern her, in denen sich Blasen in unterschiedlichen Größen und Abständen absetzten und einschlossen. Sie konnten zeigen, dass Oberflächen mit weit auseinander liegenden Punkten große Blasengrößen, aber nur winzige Bereiche mit Oberflächenkontakt förderten, was dazu beitrug, den Unterschied zwischen den erwarteten und den tatsächlichen Auswirkungen der Blasenbedeckung deutlich zu machen.
Die Entwicklung der Software zur Erkennung und Quantifizierung der Blasenbildung war für die Analyse des Teams notwendig, erklärt Rufer. "Wir wollten viele Daten sammeln und uns viele verschiedene Elektroden, verschiedene Reaktionen und verschiedene Blasen ansehen, die alle etwas anders aussehen", sagt er. Die Entwicklung eines Programms, das mit verschiedenen Materialien und unterschiedlicher Beleuchtung umgehen und die Blasen zuverlässig identifizieren und verfolgen konnte, war ein kniffliger Prozess, und maschinelles Lernen war der Schlüssel zum Erfolg, sagt er.
Mit Hilfe dieses Tools konnten sie, wie er sagt, "wirklich große Mengen an Daten über die Blasen auf einer Oberfläche sammeln, wo sie sind, wie groß sie sind, wie schnell sie wachsen, all diese verschiedenen Dinge". Das Tool ist jetzt über das GitHub-Repository für jedermann frei verfügbar.
Durch die Verwendung dieses Tools, um die visuellen Messungen der Blasenbildung und -entwicklung mit elektrischen Messungen der Elektrodenleistung zu korrelieren, konnten die Forscher die akzeptierte Theorie widerlegen und zeigen, dass nur der Bereich des direkten Kontakts betroffen ist. Videos belegten dies zusätzlich und zeigten, dass sich neue Blasen direkt unter Teilen einer größeren Blase aktiv entwickeln.
Die Forscher entwickelten eine sehr allgemeine Methodik, die zur Charakterisierung und zum Verständnis der Auswirkungen von Blasen auf jede beliebige Elektroden- oder Katalysatoroberfläche angewendet werden kann. Sie waren in der Lage, die Auswirkungen der Blasenpassivierung in einer neuen Leistungsmetrik zu quantifizieren, die sie BECSA (Bubble-induced electrochemically active surface) nennen, im Gegensatz zur ECSA (electrochemically active surface area), die in diesem Bereich verwendet wird. "Die BECSA-Metrik war ein Konzept, das wir in einer früheren Studie definiert haben, für das wir aber bis zu dieser Arbeit keine effektive Methode zur Schätzung hatten", sagt Varanasi.
Die Erkenntnis, dass die Fläche unter den Blasen sehr aktiv sein kann, führt zu einer Reihe neuer Designregeln für Hochleistungselektroden. Das bedeutet, dass die Entwickler von Elektroden versuchen sollten, die Kontaktfläche der Blasen zu minimieren und nicht nur die Abdeckung der Blasen, was durch die Kontrolle der Morphologie und Chemie der Elektroden erreicht werden kann. Oberflächen, die so gestaltet sind, dass sie die Blasen kontrollieren, können nicht nur die Gesamteffizienz der Prozesse verbessern und damit den Energieverbrauch senken, sondern auch die Materialkosten senken. Viele dieser gasentwickelnden Elektroden sind mit Katalysatoren aus teuren Metallen wie Platin oder Iridium beschichtet. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit können genutzt werden, um Elektroden so zu gestalten, dass weniger Material durch reaktionsblockierende Blasen verschwendet wird.
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.
Zum Forschungsteam gehörten Jim James, Nathan Pruyne, Aristana Scourtas, Marcus Schwarting, Aadit Ambalkar, Ian Foster und Ben Blaiszik von der University of Chicago und dem Argonne National Laboratory. Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium im Rahmen des ARPA-E-Programms unterstützt.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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