Un estudio encuentra que la humectabilidad de las superficies porosas de los electrodos es esencia para construir sistemas eficientes de división de agua o captura de carbono

0 2


El uso de electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno puede ser una forma eficaz de producir hidrógeno combustible limpio, con beneficios adicionales si la electricidad se genera a partir de fuentes de energía renovables. Pero a medida que mejoran las tecnologías de división de agua, a menudo utilizando materiales de electrodos porosos para proporcionar mayores áreas de superficie para reacciones electroquímicas, su eficiencia a menudo se ve limitada por la formación de burbujas que pueden bloquear u obstruir las superficies reactivas.

Ahora, un estudio del MIT ha analizado y cuantificado por primera vez cómo se forman las burbujas en estos electrodos porosos. Los investigadores encontraron que hay tres formas diferentes en las que las burbujas pueden formarse y alejarse de la superficie y que pueden controlarse con precisión ajustando la composición y el tratamiento de la superficie de los electrodos.

Los resultados también podrían aplicarse a una variedad de otras reacciones electroquímicas, incluidas las que se utilizan para convertir el dióxido de carbono capturado de las emisiones de las centrales eléctricas o del aire para formar combustibles o materias primas químicas. El trabajo aparece en la revista hoy. Joule, en un artículo del académico visitante del MIT Ryuichi Iwata, el estudiante graduado Lenan Zhang, los profesores Evelyn Wang y Betar Gallant, y otros tres.

“Dividir el agua es básicamente una forma de generar hidrógeno a partir de la electricidad y se puede utilizar para mitigar las fluctuaciones en el suministro de energía renovable”, dice Iwata, autor principal del artículo. Esa aplicación fue lo que motivó al equipo a estudiar los límites de ese proceso y cómo se podían controlar.

Dado que la reacción produce constantemente gas dentro de un medio líquido, el gas forma burbujas que pueden bloquear temporalmente la superficie del electrodo activo. “El control de burbujas es la clave para un alto rendimiento del sistema”, dice Iwata. Pero se han realizado pocos estudios sobre los tipos de electrodos porosos que se estudian cada vez más para su uso en tales sistemas.

El equipo identificó tres formas diferentes en que las burbujas pueden formarse y liberarse de la superficie. En uno, llamado crecimiento y salida internos, las burbujas son diminutas en comparación con el tamaño de los poros del electrodo. En ese caso, las burbujas flotan libremente y la superficie permanece relativamente clara, lo que ayuda al proceso de reacción.

En otro régimen, las burbujas son más grandes que los poros, por lo que tienden a bloquear y obstruir las aberturas, reduciendo significativamente la reacción. Y en un tercer régimen intermedio, llamado mecha, las burbujas son de tamaño medio y todavía están parcialmente bloqueadas, pero logran escapar por capilaridad.

El equipo descubrió que la variable crucial para determinar cuál de estos regímenes ocurre es la humectabilidad de la superficie porosa. Esta cualidad, que determina si el agua se esparce uniformemente sobre la superficie o forma gotas, se puede controlar ajustando el recubrimiento aplicado a la superficie. El equipo usó un polímero llamado PTFE, y cuanto más se rocía sobre la superficie del electrodo, más hidrofóbico se vuelve. También se volvió más resistente al bloqueo de burbujas más grandes.

La transición es bastante abrupta, dice Zhang, por lo que incluso un pequeño cambio en la humectabilidad, causado por un pequeño cambio en la cobertura del recubrimiento de la superficie, puede alterar drásticamente el rendimiento del sistema. A través de este descubrimiento, dice, “hemos agregado un nuevo parámetro de diseño, que es la relación entre el diámetro inicial de la burbuja [the size it reaches before separating from the surface] y el tamaño de los poros. Este es un nuevo indicador de la eficacia de un electrodo poroso “.

El tamaño de los poros se puede controlar mediante la forma en que se fabrican los electrodos porosos y la humectabilidad se puede controlar con precisión mediante el revestimiento añadido. Por lo tanto, “manipulando estos dos efectos, podremos controlar con precisión estos parámetros de diseño en el futuro para garantizar que el medio poroso se utilice en condiciones óptimas”, dice Zhang. Esto proporcionará a los diseñadores de materiales una serie de parámetros para guiar su selección de compuestos químicos, métodos de fabricación y tratamientos o revestimientos superficiales con el fin de proporcionar el mejor rendimiento para una aplicación específica.

Si bien los experimentos del grupo se centraron en el proceso de división del agua, los resultados deberían ser aplicables a prácticamente cualquier reacción electroquímica de desprendimiento de gas, dice el equipo, incluidas las reacciones utilizadas para convertir electroquímicamente el dióxido de carbono capturado, por ejemplo, de las emisiones de las centrales eléctricas.

Gallant, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice que “lo que es realmente emocionante es que a medida que la tecnología de división de agua continúa desarrollándose, el enfoque del campo se está expandiendo más allá del diseño de materiales catalizadores para ingeniería. De tránsito masivo, hasta el punto donde esta tecnología está lista para poder escalar “. Si bien aún no está en la etapa de comercialización masiva, dice,” están llegando allí. Y ahora que estamos empezando a empujar realmente los límites de las tasas de evolución de gas con buenos catalizadores, no podemos ignorar las burbujas que están evolucionando más, lo cual es una buena señal “.

El equipo del MIT también incluía a Kyle Wilke, Shuai Gong y Mingfu He. El trabajo fue apoyado por Toyota Central R&D Labs, Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), el Fondo Conjunto de Ciencia y Tecnología de Estados Unidos y Egipto y la Fundación de Ciencias Naturales de China.

También podría gustarte
Deja una respuesta

Su dirección de correo electrónico no será publicada.

This website uses cookies to improve your experience. We'll assume you're ok with this, but you can opt-out if you wish. Accept Read More