p Usar eletricidade para dividir água em hidrogênio e oxigênio pode ser uma maneira eficaz de produzir hidrogênio combustível de queima limpa, com mais benefícios se essa eletricidade for gerada a partir de fontes de energia renováveis. Mas, à medida que as tecnologias de separação da água melhoram, frequentemente usando materiais de eletrodos porosos para fornecer áreas de superfície maiores para reações eletroquímicas, sua eficiência é frequentemente limitada pela formação de bolhas que podem bloquear ou obstruir as superfícies reativas. p Agora, um estudo do MIT analisou e quantificou pela primeira vez como as bolhas se formam nesses eletrodos porosos. Os pesquisadores descobriram que existem três maneiras diferentes de as bolhas se formarem e partirem da superfície, e que estes podem ser controlados com precisão ajustando a composição e o tratamento de superfície dos eletrodos.

p As descobertas também podem se aplicar a uma variedade de outras reações eletroquímicas, incluindo aqueles usados ​​para a conversão de dióxido de carbono capturado de emissões de usinas de energia ou ar para formar combustível ou matérias-primas químicas. O trabalho é descrito hoje na revista. Joule , em um artigo do acadêmico visitante do MIT Ryuichi Iwata, estudante de graduação Lenan Zhang, professores Evelyn Wang e Betar Gallant, e três outros.

p "A divisão da água é basicamente uma forma de gerar hidrogênio a partir da eletricidade, e pode ser usado para mitigar as flutuações do fornecimento de energia de fontes renováveis, "disse Iwata, o autor principal do artigo. Essa aplicação foi o que motivou a equipe a estudar as limitações desse processo e como elas poderiam ser controladas.

p Como a reação produz gás constantemente em um meio líquido, o gás forma bolhas que podem bloquear temporariamente a superfície do eletrodo ativo. "O controle das bolhas é a chave para obter um alto desempenho do sistema, “Diz Iwata. Mas poucos estudos foram feitos sobre os tipos de eletrodos porosos que estão cada vez mais sendo estudados para uso em tais sistemas.

p A equipe identificou três maneiras diferentes pelas quais as bolhas podem se formar e se soltar da superfície. Em um, apelidado de crescimento interno e saída, as bolhas são minúsculas em relação ao tamanho dos poros do eletrodo. Nesse caso, bolhas flutuam livremente e a superfície permanece relativamente clara, promover o processo de reação.

p Em outro regime, as bolhas são maiores que os poros, então eles tendem a ficar presos e obstruir as aberturas, reduzindo significativamente a reação. E em um terceiro, regime intermediário, chamado wicking, as bolhas são de tamanho médio e ainda estão parcialmente bloqueadas, mas consegue vazar através da ação capilar.

p A equipe descobriu que a variável crucial para determinar qual desses regimes ocorre é a molhabilidade da superfície porosa. Esta qualidade, que determina se a água se espalha uniformemente pela superfície ou se forma gotas, pode ser controlado ajustando o revestimento aplicado à superfície. A equipe usou um polímero chamado PTFE, e quanto mais disso eles cuspiam na superfície do eletrodo, mais hidrofóbico ele se tornou. Também se tornou mais resistente ao bloqueio por bolhas maiores.

p A transição é bastante abrupta, Zhang diz, então, mesmo uma pequena mudança na molhabilidade, provocado por uma pequena mudança na cobertura do revestimento da superfície, pode alterar drasticamente o desempenho do sistema. Por meio dessa descoberta, ele diz, "adicionamos um novo parâmetro de design, que é a razão entre o diâmetro de saída da bolha [o tamanho que ela atinge antes de se separar da superfície] e o tamanho dos poros. Este é um novo indicador da eficácia de um eletrodo poroso. "

p O tamanho dos poros pode ser controlado através da forma como os eletrodos porosos são feitos, e a molhabilidade pode ser controlada com precisão através do revestimento adicionado. Então, "manipulando esses dois efeitos, no futuro, podemos controlar com precisão esses parâmetros de design para garantir que o meio poroso seja operado nas condições ideais, "Diz Zhang. Isso fornecerá aos designers de materiais um conjunto de parâmetros para ajudar a orientar sua seleção de compostos químicos, métodos de fabricação e tratamentos de superfície ou revestimentos, a fim de fornecer o melhor desempenho para uma aplicação específica.

p Enquanto os experimentos do grupo se concentraram no processo de divisão da água, os resultados devem ser aplicáveis ​​a praticamente qualquer reação eletroquímica de evolução de gás, a equipe diz, incluindo reações usadas para converter eletroquimicamente o dióxido de carbono capturado, por exemplo, das emissões da usina.

p Gallant, professor associado de engenharia mecânica no MIT, diz que "o que é realmente empolgante é que, à medida que a tecnologia de separação da água continua a se desenvolver, o foco do campo está se expandindo além do design de materiais catalisadores para a engenharia de transporte de massa, ao ponto em que esta tecnologia está pronta para ser escalonada. "Embora ainda não esteja no estágio de comercialização em massa, ela diz, "eles estão chegando lá. E agora que estamos realmente começando a empurrar os limites das taxas de evolução de gás com bons catalisadores, não podemos mais ignorar as bolhas que estão sendo desenvolvidas, o que é um bom sinal. "