研究团队获得新气泡发现有助于解锁更好的电极和电解器设计
- 来源：盖世汽车
- 2024/10/16 16:50:43
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工业电化学工艺使用电极来生产燃料和化学产品，但上面形成的气泡会使这一过程受到阻碍。这些气泡会堵塞部分电极表面，从而减少活性反应区域，据认为可能使电极的性能降低10%-25%。
但是，新研究揭示了几十年来人们对这种干扰程度的误解。这些发现准确地展示了阻塞效应是如何起作用的，有望实现新的电极表面设计方法，以在广泛使用的电化学过程中充分避免效率降低。
长期以来，人们一直认为，每个气泡所遮蔽的电极区域完全被有效地抑制活性。但事实证明，只有很小区域(大约是气泡实际接触表面的区域)的电化学活性受到抑制。这一新见解可能有助于直接实现新的表面图案化方法，以最大限度地减少接触面积并提高整体效率。
据外媒报道，麻省理工学院(MIT)等机构的研究团队提供了一个基于人工智能(AI)的开源软件工具。现在，工程师们可以利用该工具来自动识别和量化在给定表面上形成的气泡，而这是控制电极材料特性的第一步。
析气电极(Gas-evolving electrodes)往往通过催化表面来促进化学反应，被广泛用于各种工艺，包括绿色制氢(不使用化石燃料)、碳收集工艺(可以减少温室气体排放)、铝生产，以及氯碱工艺(用于制造广泛使用的化学产品)。这些工艺非常普遍。随着全球致力于实现温室气体减排目标，未来几年碳收集和制氢工艺可能迅速发展。现在，新发现可能带来真正的改变。
MIT机械工程教授Kripa Varanasi表示：“这项工作表明，对电极上的气泡接触和生长进行设计，可以对气泡形成和离开表面的方式产生巨大影响。了解到气泡下的区域可能非常活跃，这带来了一套新的高性能电极设计规则，以避免气泡产生有害影响。”
MIT研究生Simon Rufer表示：“以往文献表明，不仅是小的接触区域，而且气泡下的整个区域都被钝化了。”这项新研究揭示了“两种模式之间的明显差异，它改变了开发和设计电极的方式，以尽量减少这些损失”。
为了测试和证明这种效应所产生的影响，该团队制作了不同版本的电极表面，这些电极表面具有点状图案，可以成核和捕获不同尺寸和间距的气泡。研究人员能够证明，具有宽间距点状团的表面可以形成较大的气泡，但表面接触面积很小，这有助于确定气泡覆盖的预期影响和实际影响之间的差异。Rufer表示：“开发用于检测和量化气泡形成的软件对于团队分析来说是必要的。 我们希望收集大量数据，观察大量不同的电极、不同的反应和不同的气泡，它们看起来都有些不同。”创建一个程序以处理不同的材料和不同照明，并可靠地识别和跟踪气泡，这是一个棘手的过程，而机器学习是让它发挥作用的关键。
使用这个工具，研究人员能够收集“关于表面上气泡的大量数据，它们在哪里、有多大，以及生长速度有多快，所有这些不同的东西。”现在，所有人都可以通过GitHub存储库免费使用该工具。
通过使用该工具，将关于气泡形成和演变的视觉测量与电极性能的电学测量联系起来，研究人员有能力反驳公认的理论，并表明只有直接接触的区域受到影响。视频进一步证明了这一点，揭示了新气泡直接在大气泡下面部分区域的积极演变。
研究人员开发了一种非常通用的方法，可用于表征和了解气泡对各种电极或催化剂表面的影响。他们能够用一种新的性能指标来量化气泡钝化效应，这种指标名为BECSA(气泡诱导电化学活性表面)，而不是在现场使用的ECSA(电化学活性表面积)。Varanasi表示：“BECSA指标是我们在早期研究中定义的一个概念，但在这项工作之前没有有效的评估方法。”
气泡下方区域具有明显的活跃性，这一事实带来了一套新的高性能电极设计规则。这意味着电极设计者应寻求充分减少气泡接触面积，而不仅仅是气泡覆盖面积，这可以通过控制电极的形态和化学性质来实现。设计控制气泡的表面，不仅可以提高工艺的整体效率，从而减少能源使用，还可以节省前期材料成本。许多析气电极都涂有由铂或铱等贵金属制成的催化剂，这项研究成果可用于设计电极，以减少因气泡阻碍反应而浪费材料。
Varanasi表示，这项研究的见解有助于实现新的电极结构，不仅可以减少使用昂贵的材料，还能够提高电解器的整体性能，二者均将带来大规模的环境效益。
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