Les découvertes de Bubble pourraient permettre d'améliorer la conception des électrodes et des électrolyseurs
Une nouvelle étude sur les bulles à la surface des électrodes pourrait contribuer à améliorer l'efficacité des processus électrochimiques qui produisent des carburants, des produits chimiques et des matériaux
Les processus électrochimiques industriels qui utilisent des électrodes pour produire des carburants et des produits chimiques sont entravés par la formation de bulles qui bloquent des parties de la surface de l'électrode, réduisant ainsi la zone disponible pour la réaction active. Ces blocages réduisent les performances des électrodes de 10 à 25 %.
Mais de nouvelles recherches révèlent un malentendu vieux de plusieurs décennies sur l'ampleur de cette interférence. Les résultats montrent exactement comment fonctionne l'effet de blocage et pourraient conduire à de nouvelles façons de concevoir les surfaces des électrodes afin de minimiser les inefficacités de ces processus électrochimiques largement utilisés.
On a longtemps supposé que toute la zone de l'électrode ombragée par chaque bulle serait effectivement inactivée. Or, il s'avère qu'une zone beaucoup plus petite - à peu près celle où la bulle entre effectivement en contact avec la surface - est bloquée dans son activité électrochimique. Ces nouvelles connaissances pourraient déboucher directement sur de nouvelles façons de modeler les surfaces afin de minimiser la zone de contact et d'améliorer l'efficacité globale.
Les résultats sont publiés dans la revue Nanoscale, dans un article rédigé par Jack Lake PhD '23, récemment diplômé du MIT, Simon Rufer, étudiant diplômé, Kripa Varanasi, professeur de génie mécanique, Ben Blaiszik, chercheur scientifique, et six autres personnes de l'université de Chicago et du laboratoire national d'Argonne. L'équipe a mis à disposition un logiciel libre basé sur l'intelligence artificielle que les ingénieurs et les scientifiques peuvent désormais utiliser pour reconnaître et quantifier automatiquement les bulles formées sur une surface donnée, ce qui constitue une première étape vers le contrôle des propriétés du matériau de l'électrode.
Les électrodes à évolution gazeuse, souvent dotées de surfaces catalytiques qui favorisent les réactions chimiques, sont utilisées dans une grande variété de processus, notamment la production d'hydrogène "vert" sans utiliser de combustibles fossiles, les processus de capture du carbone qui peuvent réduire les émissions de gaz à effet de serre, la production d'aluminium et le processus de chlore-alcali qui est utilisé pour fabriquer des produits chimiques largement répandus.
Ces procédés sont très répandus. Le procédé de fabrication du chlore et de la soude représente à lui seul 2 % de la consommation totale d'électricité aux États-Unis ; la production d'aluminium représente 3 % de l'électricité mondiale ; la capture du carbone et la production d'hydrogène sont susceptibles de connaître une croissance rapide dans les années à venir, à mesure que le monde s'efforce d'atteindre les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les nouvelles découvertes pourraient donc faire une réelle différence, selon M. Varanasi.
"Nos travaux démontrent que l'ingénierie du contact et de la croissance des bulles sur les électrodes peut avoir des effets spectaculaires sur la façon dont les bulles se forment et quittent la surface. "Le fait de savoir que la zone sous les bulles peut être considérablement active ouvre la voie à un nouvel ensemble de règles de conception pour les électrodes à haute performance afin d'éviter les effets délétères des bulles.
"La littérature plus large élaborée au cours des deux dernières décennies a suggéré que non seulement cette petite zone de contact, mais aussi toute la zone située sous la bulle est passivée", ajoute M. Rufer. La nouvelle étude révèle "une différence significative entre les deux modèles, car elle modifie la façon de développer et de concevoir une électrode pour minimiser ces pertes".
Pour tester et démontrer les implications de cet effet, l'équipe a produit différentes versions de surfaces d'électrodes avec des motifs de points qui ont nucléé et piégé des bulles à différentes tailles et espacements. Ils ont pu montrer que les surfaces avec des points très espacés favorisaient la formation de bulles de grande taille, mais seulement de minuscules zones de contact avec la surface, ce qui a permis de mettre en évidence la différence entre les effets attendus et les effets réels de la couverture des bulles.
Le développement du logiciel permettant de détecter et de quantifier la formation de bulles était nécessaire à l'analyse de l'équipe, explique M. Rufer. "Nous voulions collecter beaucoup de données et examiner un grand nombre d'électrodes différentes, de réactions différentes et de bulles différentes, et elles ont toutes un aspect légèrement différent", explique-t-il. La création d'un programme capable de traiter différents matériaux et différents éclairages et d'identifier et de suivre les bulles de manière fiable a été un processus délicat, et l'apprentissage automatique a joué un rôle clé dans son fonctionnement, explique-t-il.
Grâce à cet outil, ils ont pu collecter "des quantités très importantes de données sur les bulles à la surface, leur emplacement, leur taille, leur vitesse de croissance, toutes ces choses différentes". L'outil est désormais disponible gratuitement pour tout le monde via le dépôt GitHub.
En utilisant cet outil pour corréler les mesures visuelles de la formation et de l'évolution des bulles avec les mesures électriques de la performance de l'électrode, les chercheurs ont pu réfuter la théorie acceptée et montrer que seule la zone de contact direct est affectée. Des vidéos ont permis d'étayer cette hypothèse, en montrant de nouvelles bulles évoluant activement directement sous des parties d'une bulle plus importante.
Les chercheurs ont mis au point une méthodologie très générale qui peut être appliquée pour caractériser et comprendre l'impact des bulles sur n'importe quelle électrode ou surface de catalyseur. Ils ont pu quantifier les effets de passivation des bulles dans une nouvelle mesure de performance qu'ils ont appelée BECSA (Bubble-induced electrochemically active surface), par opposition à ECSA (electrochemically active surface area), qui est utilisée dans le domaine. "La mesure BECSA est un concept que nous avons défini dans une étude antérieure, mais nous ne disposions pas d'une méthode efficace pour l'estimer jusqu'à ce travail", explique M. Varanasi.
Le fait de savoir que la zone sous les bulles peut être significativement active ouvre la voie à un nouvel ensemble de règles de conception pour les électrodes à haute performance. Cela signifie que les concepteurs d'électrodes devraient chercher à minimiser la zone de contact des bulles plutôt que la simple couverture des bulles, ce qui peut être réalisé en contrôlant la morphologie et la chimie des électrodes. Les surfaces conçues pour contrôler les bulles peuvent non seulement améliorer l'efficacité globale des processus et donc réduire la consommation d'énergie, mais aussi économiser sur les coûts initiaux des matériaux. Bon nombre de ces électrodes à gaz sont recouvertes de catalyseurs composés de métaux coûteux tels que le platine ou l'iridium, et les résultats de ce travail peuvent être utilisés pour concevoir des électrodes permettant de réduire les pertes de matériaux dues aux bulles qui bloquent la réaction.
Selon M. Varanasi, "les résultats de ces travaux pourraient inspirer de nouvelles architectures d'électrodes qui non seulement réduiraient l'utilisation de matériaux précieux, mais amélioreraient également les performances globales de l'électrolyseur", ce qui serait bénéfique pour l'environnement à grande échelle.
L'équipe de recherche comprenait Jim James, Nathan Pruyne, Aristana Scourtas, Marcus Schwarting, Aadit Ambalkar, Ian Foster et Ben Blaiszik de l'université de Chicago et du laboratoire national d'Argonne. Ces travaux ont été soutenus par le ministère américain de l'énergie dans le cadre du programme ARPA-E.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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