من خلال التصوير والتحليل الكهروكيميائي، نوضح أهمية تفاعلات الفقاعات مع بعضها البعض في عملية الانفصال. نُظهر أن تلاحم الفقاعات قد يؤدي إلى انفصال الفقاعات في وقت أبكر بكثير مقارنةً بتأثيرات الطفو وحدها، مما ينتج عنه معدلات تفاعل أعلى بكثير عند جهد ثابت. ومع ذلك، بسبب استمرار إدخال الكتلة والحفاظ على الزخم، قد تؤدي أحداث التلاحم المتكررة مع الفقاعات القريبة من القطب إلى دفع الفقاعات المنفصلة مرة أخرى إلى السطح بعد تيار حرج، والذي يزداد مع زيادة المسافة بين الأقطاب. يؤدي ذلك إلى استئناف نمو الفقاعات بالقرب من سطح القطب، يتبعه انفصال مدفوع بالطفو. بينما يكون هذا التكوين أقل ملاءمة عند المسافات الصغيرة بين الأقطاب، إلا أنه يثبت أنه مفيد جدًا عند المسافات الأكبر، مما يزيد من التيار المتوسط حتى 2.4 مرة مقارنةً بقطب واحد تحت الظروف التي تم استكشافها في هذه الدراسة.

من المحتمل أن تصبح التحليل الكهربائي للماء تقنية مركزية في -نظام الطاقة المحايد في المستقبل. بالإضافة إلى كونه ناقلاً محتملاً للطاقة ووقودًا، يعمل غاز الهيدروجين كمواد أولية للصناعات الكيميائية (مثل إنتاج الأمونيا للأسمدة) وصناعة الصلب (بديل الفحم)، والمصافي (الميثانول، والوقود الاصطناعي). ومع ذلك، تتطلب كفاءة العملية مزيدًا من التحسين للتنافس في سوق الطاقة وتمكين إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع. في كل من الإلكتروليزر القلوي التقليدي وإلكتروليزر غشاء تبادل البروتون، يمكن أن يُعزى جزء كبير من الفائض المحتمل وبالتالي الخسائر إلى تكوين و فقاعات، موجودة عند الأقطاب وفي الكتلة. تقوم هذه الفقاعات بحجب الأقطاب الكهربائية عن طريق إخفاء مساحة سطحها النشطة، مما يقلل من عدد مواقع النواة. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تزيد من المقاومة الأومية عن طريق حجب المسارات الموصلة للأيونات. لذلك من الضروري الحفاظ على منطقة إلكترود خالية من الفقاعات لضمان نشاط تحفيزي مستمر. سيساهم تحسين إزالة فقاعات الغاز وفهم أعمق لعمليات تطورها في تحسين كفاءة الطاقة في النظام.

تم تطوير طرق متنوعة للمساعدة في مغادرة الفقاعات، مصنفة على أنها نشطة (مثل،
الموجات الصوتية، القوى الطرد المركزي، الحمل الميكانيكي، تعديل الضغط، المجالات المغناطيسية الخارجية) والطرق السلبية. تشمل الطرق السلبية، المفضلة لكفاءتها في استهلاك الطاقة، بشكل أساسي تعديلات على السطح لتغيير قابلية البلل. من السطح الحفاز. على سبيل المثال، تسهل الأسطح فائقة المحبة للماء مغادرة الفقاعات في وقت مبكر بسبب الزاوية المنخفضة للتلامس عند واجهات السائل-الصلب.

يمكن أن تستفيد عملية إزالة الفقاعات أيضًا من الأسطح الكارهة للماء. أحد الأمثلة هو مفهوم التحليل الكهربائي الخالي من الفقاعات الذي يستخدم طبقة مسامية كارهة للماء بجوار إلكترود مسامي. هذا يمنع تكوين الفقاعات داخل المحفز، ويوجه الغاز الناتج من خلال التأثيرات الشعرية عبر الطبقة الكارهة للماء. مفهوم مختلف لتعزيز إزالة الغاز، والذي أظهر وعدًا بناءً على التحليل النظري، هو استخدام الجزر الكارهة للماء على القطب كأماكن تفضيلية للنواة. أيضًا، تم إثبات أن هذا ممكن عمليًا باستخدام أقطاب مغطاة جزئيًا ببقع كارهة للماء مصنوعة من بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE). هذا يسمح بتوجيه الغاز المنتج بعيدًا عن المناطق النشطة من القطب الكهربائي مع إمكانية تقليل الفائض الناتج عن الفقاعات. بروسيو وآخرون أظهر أن، اعتمادًا على حجم المساحات البينية والمسافة بينها، يمكن التحكم في معايير إطلاق الغاز مثل حجم الفقاعات وموقعها، لكنه لم يدرس تأثير ذلك على أداء الأقطاب. مؤخرًا، قام ليك وآخرون. وجد أن مصفوفات الميكروبوست المطلية بالبلاتين المعبأة بكثافة تعزز من إطلاق فقاعات أصغر بشكل متسق من خلال تلاحمها المتبادل. بينما زاد ذلك من استقرار التيار مقارنةً بالأقطاب غير المنقوشة، إلا أنه لم يؤدِ إلى تحسينات في الأداء عند التطبيع حسب المساحة السطحية النشطة في هذا النظام، بسبب تكوين فقاعات إضافية بين الأعمدة. في هذا السياق، فإن إزالة الفقاعات الناتجة عن التلاحم تكتسب أهمية خاصة. يؤدي التلاحم إلى تقليل الطاقة السطحية، ويتم تحويل جزء من هذه الفروق إلى طاقة حركية، مما يتسبب في قفز الفقاعة عن السطح دون الاعتماد على الطفو. وهذا يجعل هذه العملية لإزالة الفقاعات جذابة للغاية أيضًا في تطبيقات الجاذبية الصغرى.

ومع ذلك، فإن الفهم التفصيلي للآلية وقياس مدى
لا يزال هناك نقص في كيفية استغلال الديناميات الناتجة عن التلاحم لتحسين أداء الأقطاب الكهربائية التي تطلق الغاز. وينطبق هذا أيضًا على تحسين المعلمات، نظرًا للتعقيدات مثل احتمال عودة الفقاعات إلى سطح القطب الكهربائي. غير تافه للغاية. نحن نتناول هذه الأسئلة المفتوحة في العمل الحالي من خلال دراسة الديناميات المدفوعة بالاندماج لفقاعات الهيدروجين الناتجة عن قطب ميكروي مزدوج أثناء التحليل الكهربائي للماء. يتيح هذا الإعداد الجديد التحكم الدقيق في المعلمات المهمة مثل حجم الفقاعات أثناء الاندماج، بينما يوفر أيضًا رؤية ممتازة للديناميات. نحن نثبت أن أحداث الاندماج قد تؤدي إلى مغادرة الفقاعات بشكل مبكر مقارنةً بتأثيرات الطفو وحدها وعودة الفقاعات المغادرة إلى سطح القطب، مما يغير بشكل كبير معدلات التفاعل. يظهر تكوين القطب الميكروي المزدوج، اعتمادًا على الجهد المطبق والمسافة بين الأقطاب، زيادة تصل إلى 2.4 مرة في التيار مقارنةً بقطب ميكروي واحد.

الأزواج من تم توليد الفقاعات الموضحة في الشكل 1a على سطح ميكرو-إلكترود مزدوج من البلاتين خلال تفاعل تطور الهيدروجين (HER). تم إجراء التجربة في خلية كيميائية كهربائية ثلاثية الأقطاب مملوءة بـ .

تم تصنيع الأقطاب الدقيقة المزدوجة وفقًا لطريقة تم تأسيسها مسبقًا. باختصار، سلكان من البلاتين ( ، تم ختم (غودفيلو) في شعيرة زجاجية من الصودا والجير (قطر خارجي القطر الداخلي هيلغنبرغ) عن طريق تليين الشعيرات بلطف في لهب. خمسة قيم مختلفة لمسافة بين الأقطاب الكهربائية تم إنشاء واختبار، كما هو موضح في الشكل 1ب. خضعت سطح القطب لتنظيف كيميائي كهربائي (تدوير الجهد بين مقابل RHE، تم تكرارها 50 مرة) بعد أن تم تلميعها ميكانيكياً بورق الصنفرة (2000 حبيبة)، وتمت معالجتها بالموجات فوق الصوتية وشطفها بالماء النقي للغاية. الخلية المستخدمة هنا تشبه إلى حد كبير تلك المستخدمة في الدراسات السابقة. يتم إدخال الميكرو-إلكترود الثنائي (الكاثود) أفقيًا موجهًا لأعلى في قاعدة مكعب.
كوبية زجاجية (هيلما) بأبعاد . يتم إكمال النظام بواسطة القطب المرجعي ( ) وقطب العكس ( سلك) تم إدخالهما عمودياً من الأعلى. يتم التحكم في الخلية الكهروكيميائية بواسطة جهاز قياس الجهد (BioLogic، VSP-300، 6 قنوات) عند جهد ثابت يتراوح بين -0.2 إلى -2.8 فولت (مقابل RHE). كل من القطبين متصل ويدار بواسطة قناة منفصلة من جهاز قياس الجهد. لكل تجربة، تم تسجيل التيار الكهربائي بمعدل أخذ عينات لا يقل عن 1 كيلو هرتز على مدى 30 ثانية. تسمح الخلية الشفافة بصرياً برؤية ديناميات فقاعات الغاز-

الديناميات باستخدام نظام الظل. يتكون من إضاءة LED (SCHOTT، KL 2500) مع ميكروسكوب، متصل بكاميرا عالية السرعة (Photron، FASTCAM NOVA S16)، توفر دقة مكانية قدرها . عادة ما يتم تسجيل الصور بمعدل 5 كيلو هرتز، ما لم يُذكر خلاف ذلك. تم استخدام تسجيل عالي السرعة يصل إلى 264 كيلو هرتز لحل أحداث التمازج الفردية. تم استخراج نصف قطر الفقاعة بواسطة روتين معالجة الصور القياسية بناءً على طريقة كشف الحواف Canny في Matlab R2022b (للمزيد من التفاصيل، انظر المواد التكميلية في Bashkatov et al. ). لقياس مجالات السرعة حول الفقاعات المعروضة في الشكل 6، تم زرع جزيئات بولي ستيرين أحادية التشتت (microParticles GmbH) من في الإلكتروليت. هذه الجزيئات عائمة محايدة بكثافة كتلة قدرها . تم معالجة سلسلة الصور الناتجة، المسجلة بمعدل 1000 إطار في الثانية،
تمت معالجتها بواسطة برنامج DaViS 10، الذي يستخدم خوارزمية تتبع الجسيمات (PTV) لتتبع كل جزيء على مدى 25 مللي ثانية قبل المغادرة. بسبب العدد المحدود من الجزيئات القريبة من أو عند واجهة الفقاعة-الإلكتروليت، تم جمع المسارات الناتجة للجزيئات لـ 60 فقاعة. بعد ذلك، تم تحويل المسارات إلى حقل متجه باستخدام دالة تجميع تقوم بترتيب المسارات المحلية على شبكة دقيقة محددة.

لتحديد الأساس، نبلغ باختصار عن النتائج للحالة التي يتم فيها تشغيل قطب واحد فقط، والتي تم دراستها سابقاً. كمثال، يظهر الشكل 2a التيار العابر ( ) ونصف القطر ( ) للفقاعة لثلاث دورات كاملة من تطور الفقاعة عند -1.0 فولت. تم تضمين صور الظل التي تتوافق مع دورة كاملة من النواة إلى المغادرة في الشكل 2b. هذه العملية دورية للغاية مع عمر فقاعة . يؤثر تطور الفقاعة بشكل كبير على تيار التفاعل، حيث تتزامن القيم القصوى في التيار الكاثودي المميزة بالدوائر الحمراء مع مغادرة الفقاعة. يتبع ذلك مباشرة نواة فقاعة جديدة، التي يؤدي نموها في محيط القطب إلى تقليل كبير في يصل إلى في هذه الحالة. يستمر هذا حتى مغادرة الفقاعة التالية، بعد ذلك تتكرر الدورة.

أخيرًا، يلخص الشكل 2c كيف يتغير متوسط التيار الكهربائي ، حيث تشير الخطوط العلوية إلى متوسط على ، ونصف القطر عند المغادرة ، وعمر الفقاعة لمختلف الجهود الكاثودية ( ). جميع الإحصائيات متوسطة على دورات فقاعات متعددة مع أشرطة خطأ تمثل الانحراف المعياري. يؤكد الشكل أيضًا أن النتائج المتسقة تم الحصول عليها من كلا القطبين.

في هذا النظام، يحدث تشكيل الفقاعات بالفعل عند جهد زائد منخفض. تتشكل فقاعات بحجم ميكرون على سطح القطب وتندمج باستمرار لتشكيل فقاعة أكبر واحدة. هذه الفقاعة الأكبر عادة لا تكون في اتصال مباشر مع سطح القطب، بل تقيم على طبقة من الفقاعات الدقيقة. تستمر في النمو عبر

التمازج مع هذه الفقاعات الدقيقة ومن خلال انتشار الغاز. في هذه الحالة، تحدث مغادرة الفقاعة بمجرد تجاوز القوى المحتفظة بسبب المجال الكهربائي، الحراري وذوباني تأثيرات مارانغوني بواسطة الطفو (انظر الشكل 1a). يرتبط تأثير مارانغوني الحراري بالتسخين الجوي الناتج عن كثافة التيار العالية محليًا عند قاعدة الفقاعة كما هو موضح في الشكل 1a. لذلك يتناسب التأثير (عبر قانون أوم) مع ويسود عند الجهود الزائدة العالية. من المتوقع أن يعتمد التأثير الذوباني بسبب استنفاد الإلكتروليت عند القطب بشكل خطي على وبالتالي يهيمن عند الجهود الزائدة المنخفضة ( فولت في الحالة الحالية). القوة الكهربائية تتناسب طرديًا مع وبالتالي تتناقص جميع القوى المحتفظة مع تقليل الجهد الزائد، مما يفسر الاتجاه المتناقص لنصف القطر عند المغادرة حيث يصبح أقل سلبية. نظرًا لأن الفقاعة تلتقط تقريبًا كل الغاز المنتج، 45،46 فإن فترة المغادرة تتبع الوقت الذي يستغرقه إنتاج الغاز المحتوى في حجم الفقاعة و وبالتالي تتناسب مع .

من الآن فصاعدًا، يتم تشغيل كلا القطبين في وقت واحد، بشكل مستقل عن بعضهما البعض، وعند نفس الجهد. في البداية، سننظر فقط في الزوج الذي يفصل بين . تم رسم التيارات المقاسة لهذه التكوين في الشكل 3a لجهود مختلفة. تم تضمين تتبع الوقت للتيار لكل من القطبين (‘الأيسر’ و ‘الأيمن’) وللإشارة، نعرض أيضًا إشارة التيار المقاسة عند تشغيل قطب واحد فقط عند نفس الجهد (الخط الرمادي). مع التركيز في البداية على الجهد الزائد الأدنى، ، تظل تذبذبات التيار دورية أثناء التشغيل المزدوج؛ ومع ذلك، فإن كل من الفترة والسعة تتناقص بشكل ملحوظ. يمكن فهم سبب ذلك من صور الظل المقابلة المقدمة في الشكل 3b، التي توضح ديناميات الفقاعات على مدى فترة واحدة (موضحة بالصندوق الأسود في الشكل 3a).

على غرار ما لوحظ لقطب واحد، تتشكل فقاعة أكبر وتنمو في البداية عند كل من القطبين، مما يؤدي إلى تقليل تدريجي في التيار. تستمر هذه العملية حتى تلمس الفقاعتان وتندمجان، مما يتبعه مغادرة الفقاعة المدمجة مع ارتفاع في التيار (انظر الإطار في -0.3 فولت في الشكل 3a). يوضح الشكل 3c هذه العملية التمازج، التي تحدث في حدود الميكروثانية، والتشوهات الناشئة لشكل الفقاعة. يتم تشغيل القفزة الناتجة عن التمازج بواسطة الطاقة السطحية المنبعثة. بينما يتم استهلاك معظم هذه الطاقة من خلال الأمواج الشعرية التي تظهر في الشكل يمكن أن تتسبب النسبة التي تتحول إلى طاقة حركية (أقل من ، لمزيد من التفاصيل انظر المعلومات الداعمة) في مغادرة الفقاعة عند نصف قطر أصغر بكثير من السيناريو المدفوع بالطفو، للفقاعة الجديدة المتكونة. مع حقيقة أن كل من الفقاعات المتمازجة تساهم فقط بنصف الحجم، يفسر هذا تكرار المغادرة المعزز بشكل كبير.

عند جهد زائد أعلى عند ، تبدأ الأحداث ذات طول الفترة الأطول في الظهور بشكل متقطع في تتبعات التيار. تصبح هذه الأحداث أكثر تكرارًا و

تسيطر على الإشارة في ، قبل أن تحل تقريبًا محل نمط التلاقي عالي التردد في لتوضيح الديناميات الأساسية للفقاعات، نقدم عرضًا مكبرًا لجزء من إشارة التيار عند (صندوق أخضر) في
الشكل 3d مع تطور حجم الفقاعات. كانت مغادرة الفقاعة الأولى المضمنة في الشكل 3d تسير بشكل مشابه لتلك المعروضة في الشكل 3b، وتستمر الفقاعة في الارتفاع بعيدًا عن القطب بعد الإقلاع الناتج عن التلاحم. سنشير إلى هذا باسم ‘الوضع I’ من الآن فصاعدًا. ومع ذلك، كما تظهر الظلال المقابلة في الشكل 3e، على الرغم من أن الفقاعة تقفز أيضًا بعد حدث التلاحم الثاني، إلا أنها تُعاد في النهاية إلى السطح من خلال التلاحم المتكرر مع فقاعات جديدة تتشكل عند كلا القطبين (انظر الفترة بين و ). بعد هذا العودة، تستقر الفقاعة بين القطبين الكهربائيين فوق السطح مباشرة. هناك، تستمر في النمو حتى يحدث انفصال مدفوع بالطفو (عند مقابل )، مما يفسر عمرًا أطول بمقدار ترتيب من الحجم ( مقابل ) من الفقاعة في هذه الحالة. سنشير إلى ذلك باسم ‘وضع العودة’ أو ‘الوضع الثاني’.

من الواضح من الشكل 3a أن الديناميات الناتجة عن الاندماج لها تأثير قوي ليس فقط على تقلبات التيار، ولكن أيضًا على متوسط التيار عند جهد معين. لتحليل ذلك، نقارن بين متوسطات التيارات لفترتين للطريقتين. و ، يُعتبر مجموع التيارات عند كلا القطبين إلى في الشكل 4. لاحظ أن

من الممكن تحديد حتى عند الجهود العالية حيث يسود الوضع الثاني من خلال اعتبار الوقت حتى التلاحم الأول، مما يؤدي إلى مغادرة مؤقتة للفقاعة (انظر الشكل 3د). على الرغم من إزالة الغاز بشكل أسرع بكثير، إلا أن التيار عند الجهود المنخفضة الزائدة ( V) يبقى كما هو أو حتى ينخفض قليلاً في التشغيل المزدوج مقارنةً بحالة القطب المفرد. يمكن أن يُعزى ذلك إلى الحماية الإضافية التي يوفرها الفقاعة الثانية في محيط القطب والمنافسة الانتشارية بين موقعَي التفاعل، وكلاهما يقلل من الأداء. ومع ذلك، فإن فوائد إزالة الغاز المعجلة تتجاوز هذه التأثيرات بشكل متزايد مع زيادة الجهد الزائد. وهذا صحيح بشكل خاص في الوضع I، حيث يكون التيار أكثر من ضعف ذلك للقطب المفرد عند نفس الجهد للقيم الأكثر سلبية. تم التحقيق. بينما يُظهر هذا بوضوح الإمكانية لتحسين الأداء من خلال إزالة الغاز الناتجة عن التكتل، فإن تحسين الأداء الفعلي ينخفض إلى أقل من للفجوة الحالية بين الأقطاب الكهربائية بسبب انتشار عودة الفقاعات (الوضع II) عند الفائض الكهربائي الأعلى. التيارات في الوضع II تكون باستمرار أقل مقارنةً بالوضع I لأن المسافة بين الأقطاب الكهربائية صغيرة جداً، مما يجعل الفقاعة العائدة تحجب جزءاً كبيراً من كلا الأقطاب (انظر الشكل 3e)، على الرغم من أنها تقع في منتصف الطريق بينهما.

لفهم أفضل تحت أي ظروف يحدث عودة الفقاعة بعد القفز، توثق الشكل 5 الاحتمالية ( ) للعائد لمسافات مختلفة بين الأقطاب وكوظيفة لـ (الشكل 5أ) و (الشكل 5ب). كما يزداد، الانتقال من الوضع I ( دوائر)، إلى نظام مختلط ( ، مثلثات) وأخيرًا إلى الوضع II ( تحدث عند قيم أكبر بشكل متزايد من . في الواقع، الاعتماد على قوي جدًا: لجهد ثابت من تغييرات من حوالي في إلى ما يقرب من 0 عندما تزداد المسافة إلى توضح الرسمة في الشكل 5c الآلية ذات الصلة لعودة الفقاعة. فقاعة جديدة التكوين (بشعاع ) على أحد الأقطاب الكهربائية تلتحم مع الفقاعة المنفصلة

مع نصف القطر . بسبب حفظ الزخم، فإن الفقاعة الناتجة تقع بعد ذلك في مركز الكتلة المشترك للفقاعتين المتداخلتين، مما يعني حدوث انزلاق نحو الأسفل بواسطة مقارنة بموقع الفقاعة ذات نصف القطر تؤدي أحداث التلاحم المتكررة من كلا الجانبين إلى إعادة الفقاعة إلى السطح كما هو موضح في الشكل 3e. الانتقال
بين الوضع I والوضع II يتم التحكم فيهما بالتالي من خلال تنافس بين سرعة مغادرة أو ‘قفز’ الفقاعة بعد الاندماج ومعدل نمو الفقاعات عند القطب. إن مقدار التيار الكهربائي الأكبر، الذي يزداد تقريبًا بشكل خطي مع (انظر الشكل 6)، يمكّن من تشكيل فقاعات جديدة بشكل أسرع مما يزيد من احتمال تفاعلها مع الفقاعة التي غادرت سابقًا. عند زيادة يحتاج الوريث الفقاعي إلى النمو إلى حجم أكبر، وبالتالي لفترة أطول قبل التفاعل مع الفقاعة التي غادرت بالفعل، مما يسمح للأخيرة بالابتعاد أكثر. سيؤدي ذلك إلى زيادة كبيرة في التيار المطلوب لوضع العودة. يمكننا التقاط ذلك في نموذج بسيط يعتمد على الهندسة الموضحة في الشكل 5 ج للتنبؤ بالتيار الأدنى. لعودة الفقاعة. تحليلنا يأخذ في الاعتبار الحالة التي تكون فيها الفقاعة الجديدة ذات نصف قطر لقد نمت بشكل كافٍ للتواصل مع الفقاعة المغادرة. الوقت الذي يستغرقه نمو الفقاعة إلى نصف القطر هو ، حيث هو عامل مسبق يحتوي على ثابت فاراداي الضغط داخل الفقاعة ثابت الغاز ودرجة الحرارة (انظر المعلومات الداعمة للتفاصيل). خلال هذه الفترة الزمنية، تسافر الفقاعة المغادرة المسافة ، مع تشير إلى سرعة القفز الفعالة. استنادًا إلى هندسة المثلث الذي يمتد بين مراكز الفقاعتين والنقطة A في الشكل 5c، فإن التيار الحرج لانتقال الوضع كدالة لـ يتم إعطاؤه بواسطة

لأي قيمة يمكن تحديده من أجل أي يصل إلى قيمة دنيا، للحصول على قيمة التيار الحالي في هذا التكوين الحرج، يتطلب الأمر تقدير سرعة القفز. للحصول على ذلك، قمنا بتتبع الفقاعات التي تغادر بعد التلاحم ثم قمنا بحساب متوسط سرعتها الرأسية على مدى 0.5 مللي ثانية الأولى للحصول على لاحظ أن يختلف بشكل كبير اعتمادًا على موضع الفقاعتين قبل الاندماج (انظر المعلومات الداعمة للتفاصيل). تظهر النتائج لهذه الكمية في الشكل 5d كدالة لـ . من هذه البيانات، القيم النموذجية لـ توجد في النطاق من إلى
مع ميل طفيف نحو سرعات أعلى مع زيادة حجم الفقاعات عند زيادة تباعد الأقطاب الكهربائية. . في الشكل 5ب، قمنا بتضمين النتائج لـ كنتيجة لـ ولقيم مختلفة من يمكن ملاحظة أن النموذج يلتقط بشكل جيد جدًا زيادة التيار الحرج مع زيادة فصل الأقطاب. أفضل توافق بين النموذج والبيانات هو لـ ، والذي قريب من، على الرغم من كونه أقل قليلاً، من سرعات القفز المقاسة في الشكل 5d. من بين عوامل محتملة أخرى، فإن سبب هذه الفجوة الطفيفة هو حقيقة أن الفقاعة الجديدة ذات نصف القطر يتشكل أيضًا من خلال التمازج وبالتالي يقفز أيضًا عن القطب. بالإضافة إلى ذلك، لا نأخذ في الاعتبار اهتزازات الشكل للفقاعات الأكبر، التي تصبح أكثر شيوعًا عند الأحجام الأكبر. .

لفهم كيف يتغير التيار عند مسافات أقطاب مختلفة، من المفيد أولاً أن نأخذ في الاعتبار كيف يتغير حجم خروج الفقاعات لمختلف . في الوضع الأول، يكون المغادرة مدفوعة بالاندماج بحيث مستقل عن ويختلف فقط مع مسافة بين الأقطاب . بسبب الاهتزازات الجانبية لموقع الفقاعة على القطب الكهربائي وربما ميل طفيف لأسطح الأقطاب، فإن النتائج لـ الموضح في الشكل 6أ هو حوالي أقل من أي، القيمة لتجمع فقاعتين كل منهما بقطر . تم أخذ هذه الفروق الصغيرة في الاعتبار عند التقييم في المعادلة 1.

مقارنةً بالقطب الكهربائي الفردي، فإن التيار في الوضع I الموضح في الشكل 6b يكون معززًا بشكل أكبر عند الجهد الزائد العالي وصغير ، لأنه في هذه الحالة يكون تقليل حجم مغادرة الفقاعات في أقصى حد. هناك فقط انخفاض معتدل في لأكبر بشكل أساسي بسبب النطاق النسبي الصغير في وبالتالي، في ، وهو أمر بسيط مقارنة بالتغيرات الملحوظة في عند إمكانيات مختلفة. عند الفائض المنخفض، للفواصل الأكبر بين الأقطاب التي تم دراستها ولا يوجد زيادة في التيار مقارنة بـ تمامًا كما لوحظ في في الشكل 4.

في الوضع الثاني، يعتمد نصف قطر المغادرة بشكل كبير على الجهد ولكن بشكل ضعيف في الغالب.

على كما هو موضح في الشكل 6c. من المRemarkably، تقريبًا نفس الشيء كما هو الحال في حالة القطب الفردي عند نفس الجهد (انظر الرموز الرمادية التي تمثل ). تحقيق في توازن القوة مما يؤدي إلى هذه الاتجاهات في تتجاوز نطاق هذه الدراسة. ومع ذلك، نقدم أدلة واضحة على الحمل الحراري مارانغوني (انظر الأشكال 6(e,f))، متسقة مع وجود تأثيرات حرارية سطحية في نفس النطاق المحتمل على الأقطاب الفردية. استنادًا إلى اتجاه التدفق، من المتوقع أن تكون هناك قوة مارانغوني نازلة على الفقاعة (انظر الشكل 1أ). الحركة الحملية أكثر وضوحًا بكثير في (الشكل 6f) مقارنةً بالمسافة الأضيق لـ في الشكل 6e، الذي يتماشى مع الفرق في التيار بين الحالتين مقابل 8.46 مللي أمبير، على التوالي). من المثير للاهتمام أن هذا لا يؤدي إلى فرق ملحوظ في للمسافات المختلفة بين الأقطاب، والتي يُفترض أنها ناتجة عن اختلافات في القوة الكهربائية المعتمدة على الهندسة. أكدنا أن التمازج المستمر مع الفقاعات الصغيرة
لا تمارس قوة ظاهرة كبيرة على الفقاعة (انظر المعلومات الداعمة للتفاصيل).

على عكس الوضع الأول، يظهر التيار في الوضع الثاني الموضح في الشكل 6d اعتمادًا واضحًا على تباعد الأقطاب الكهربائية ويزداد بشكل كبير مع زيادة . هذا لأن الفقاعة الآن مركزها بين القطبين. لذلك تصبح الأقطاب أكثر تعرضًا كلما زادت المسافة بينهما، حتى لو ظل حجم الفقاعة كما هو. إن الإزالة المستمرة للفقاعات الصغيرة على القطب من خلال التلاحم مع الفقاعة الأكبر تثبت أنها مفيدة جدًا وتؤدي إلى تيارات قصوى تزيد عن الضعف. مساويًا لأكبر التيارات التي تم ملاحظتها في الوضع الأول.

لتحديد مقدار زيادة الأداء ولتعويض عن اعتماد التيار، نقوم بتطبيع التيار على القطب الثنائي بواسطة . هذا أيضًا يفسر الفروق الصغيرة
في بين الأقطاب الكهربائية المختلفة المستخدمة في هذه الدراسة (انظر المعلومات الداعمة). في الشكل 7أ، النسبة يتم رسمه لمختلف كنتيجة لـ كما توضح الشكل، فإن تأثيرات التداخل عند الجهود الزائدة المنخفضة التي تم مناقشتها بالفعل في سياق الشكل 3، تسبب حتى تنخفض دون لـ . هذا لا يتحسن بشكل ملحوظ مع زيادة تباعد الأقطاب، على الأرجح بسبب التوازن بين تقليل تأثيرات التداخل وزيادة حجم الفقاعة مع لجهود التحفيز الأكبر، تسود فوائد إزالة الغاز المعززة، كما يتضح في نسبة الذي يزيد باستمرار مع زيادة الجهد الزائد متجاوزًا قيمة 2 عند تُواجه تقريبًا نفس القيم أيضًا لهذا الجهد بالنسبة للنسبة في الشكل 7 ب. بينما يتحسن الأداء في الوضع II قليلاً أيضاً عند زيادة الجهد الزائد، فإنه يعتمد بشكل أكبر على كما يظهر الإدراج في الشكل 7ب، النسبة يزداد تقريبًا بشكل خطي مع عند جهد ثابت.

أخيرًا، توضح الشكل 7 ج كيف أن التيار الفعال الناتج على القطب الثنائي التغييرات بالنسبة إلى . بالإضافة إلى الاختلافات في و ، هذه الكمية تتأثر أيضًا بالاحتمالية لعودة الفقاعة (الوضع II). بالنظر إلى النتائج في الشكل 5أ، فإن النسبة لذلك يتم السيطرة على الوضع الأول في الجهد المنخفض والوضع الثاني في الجهد العالي. وهذا يعني أن مكاسب الأداء في الوضع الأول عند الجهد العالي ليست قابلة للتحقيق عمليًا. ومع ذلك، فإن هذه مجرد قيود عند المسافات الصغيرة بين الأقطاب، حيث إن التيار في الوضع II يتجاوز حتى ذلك في الوضع I لـ و (انظر الشكل 7c). في هذه الحالات، فإن الانتقال بين الأوضاع يكون مفيدًا حتى.

تظهر الشكل 7d لقطات لمجموعة المعلمات و الذي له أعلى نسبة تمت ملاحظته. وجود الفقاعة المعادة في المركز بين الأقطاب الكهربائية يتجنب تكوين فقاعات أكبر مباشرة على الأقطاب. ومن الجدير بالذكر أنه لوحظ فقط انخفاض طفيف في التيار (انظر الشكل المصغر في ) حيث يتحرك مخطط الفقاعة خارج مواقع الأقطاب. هذا يتعارض مع الممارسة الشائعة التي تعتبر المنطقة تحت الفقاعة غير نشطة ولكنه يتماشى مع التخمينات السابقة.

لقد استكشفنا ديناميات تمازج الفقاعات الناتجة عن الكهرباء وتأثيرها على معدل التفاعل الكهروكيميائي باستخدام أقطاب ميكروية من البلاتين. وجدنا أن تمازج فقاعتين متجاورتين يؤدي إلى قفزة أولية للفقاعة المدمجة وهروب مبكر من السطح. ومع ذلك، قد يؤدي التمازج المستمر مع الفقاعات الجديدة المتكونة إلى العودة إلى القطب، مما يؤدي إلى نمو مطول. يصبح هذا النمط الأخير أكثر شيوعًا كلما زادت شدة التيار وقلّت المسافة بين الأقطاب. اقترحنا نموذجًا بسيطًا لالتقاط هذه الاتجاهات والتنبؤ بالحجم الحرج للتيار المطلوب لبدء عملية العودة. هذا النمط من العودة ينفي التحسين المحتمل في الأداء الذي تم تحقيقه من خلال المغادرة المباشرة بعد حدث التمازج عند مستويات أصغر. (حتى زيادة تصل إلى 1.7- مقابل 2.3 ضعف في التيار عند جهد ثابت عند مقارنتها بقطب كهربائي واحد). ومع ذلك، حتى في حالات عودة الفقاعات، فإن التيار الفعال عند أحجام أكبر زاد بمقدار يصل إلى 2.4 مرة لأن الفقاعة كانت تقع حينها بين الأقطاب، مما يعرض مساحة أكبر من الأقطاب للتفاعل. لذلك، فإن هذه الطريقة واعدة، خاصةً أنه، بالنظر إلى الاعتماد على مسافة الأقطاب، يمكن توقع تحقيق مكاسب أداء أكبر من خلال زيادة المسافة أكثر. في الممارسة العملية، يمكن تحقيق تكوين مشابه على أقطاب موسعة باستخدام جزر كارهة للماء، يجب أن تكون متباعدة لتفضيل مغادرة تعتمد على التكتل وتقليل احتمال عودة الفقاعات، وبالتالي تجنب انسداد مساحة السطح النشطة.

لا توجد صراعات للإعلان عنها.

تلقى هذا البحث تمويلاً من مجلس البحث الهولندي (NWO) مع تمويل مشترك تم الحصول عليه من نوبين ومركز هيلمهولتز دريسدن-روسندورف (HZDR) في إطار تحويل المواد الكيميائية الكهربائية (ECCM) KICkstart DE-NL (KICH1.ED04.20.009). يشكر S.P. الدعم المقدم من برنامج البحث العلمي الأساسي من خلال مؤسسة البحث الوطنية الكورية (NRF) الممولة من وزارة التعليم (2021R1A6A3A14039678).
تلقى D.K. و D.L. و M.T.M.K. تمويلاً من المجلس الأوروبي للبحث (ERC) (رقم اتفاق منحة BU-PACT 950111، رقم منحة متقدمة ERC 740479-DDD ورقم منحة متقدمة ERC ‘FRUMKIN’ 101019998، على التوالي). نشكر V. Sanjay على المناقشات المثمرة حول هذا الموضوع.

(1) Brandon, N. P.; Kurban, Z. Clean energy and the hydrogen economy. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 2017, 375, 20160400.
(2) Staffell, I.; Scamman, D.; Abad, A. V.; Balcombe, P.; Dodds, P. E.; Ekins, P.; Shah, N.; Ward, K. R. The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Energy Environmental Science 2019, 12, 463-491.
(3) Dawood, F.; Anda, M.; Shafiullah, G. Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy 2020, 45, 3847-3869.
(4) Lee, J. K.; Lee, C.; Fahy, K. F.; Kim, P. J.; Krause, K.; LaManna, J. M.; Baltic, E.; Jacobson, D. L.; Hussey, D. S.; Bazylak, A. Accelerating bubble detachment in porous transport layers with patterned through-pores. ACS Applied Energy Materials 2020, 3, 9676-9684.
(5) Swiegers, G. F.; Terrett, R. N.; Tsekouras, G.; Tsuzuki, T.; Pace, R. J.; Stranger, R. The prospects of developing a highly energy-efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubble effects. Sustainable Energy & Fuels 2021, 5, 1280-1310.
(6) Yu, S.; Li, K.; Wang, W.; Xie, Z.; Ding, L.; Kang, Z.; Wrubel, J.; Ma, Z.; Bender, G.; Yu, H.; others Tuning Catalyst Activation and Utilization Via Controlled Electrode Patterning for Low-Loading and High-Efficiency Water Electrolyzers. Small 2022, 18, 2107745.
(7) Yuan, S.; Zhao, C.; Cai, X.; An, L.; Shen, S.; Yan, X.; Zhang, J. Bubble evolution and transport in PEM water electrolysis: Mechanism, impact, and management. Progress in Energy and Combustion Science 2023, 96, 101075.
(8) Zhao, X.; Ren, H.; Luo, L. Gas bubbles in electrochemical gas evolution reactions. Langmuir 2019, 35, 5392-5408.
(9) Angulo, A.; van der Linde, P.; Gardeniers, H.; Modestino, M.; Rivas, D. F. Influence of bubbles on the energy conversion efficiency of electrochemical reactors. Joule 2020, 4, 555-579.
(10) Angulo, A. E.; Frey, D.; Modestino, M. A. Understanding bubble-induced overpotential losses in multiphase flow electrochemical reactors. Energy & Fuels 2022, 36, 7908-7914.
(11) Shih, A. J.; Monteiro, M. C.; Dattila, F.; Pavesi, D.; Philips, M.; da Silva, A. H.; Vos, R. E.; Ojha, K.; Park, S.; van der Heijden, O.; others Water electrolysis. Nature Reviews Methods Primers 2022, 2, 84.
(12) He, Y.; Cui, Y.; Zhao, Z.; Chen, Y.; Shang, W.; Tan, P. Strategies for bubble removal in electrochemical systems. Energy Reviews 2023, 100015.
(13) Gross, S. J.; McDevitt, K. M.; Mumm, D. R.; Mohraz, A. Mitigating bubble traffic in
gas-evolving electrodes via spinodally derived architectures. ACS Applied Materials Interfaces 2021, 13, 8528-8537.
(14) Tang, Z.; Wang, P.; Xu, B.; Meng, L.; Jiang, L.; Liu, H. Bioinspired Robust Water Repellency in High Humidity by Micro-meter-Scaled Conical Fibers: Toward a LongTime Underwater Aerobic Reaction. Journal of the American Chemical Society 2022, 144, 10950-10957.
(15) Krause, L.; Skibińska, K.; Rox, H.; Baumann, R.; Marzec, M. M.; Yang, X.; Mutschke, G.; Żabiński, P.; Lasagni, A. F.; Eckert, K. Hydrogen Bubble Size Distribution on Nanostructured Ni Surfaces: Electrochemically Active Surface Area Versus Wettability. ACS Applied Materials & Interfaces 2023, 15, 18290-18299.
(16) Nam, Y.; Aktinol, E.; Dhir, V. K.; Ju, Y. S. Single bubble dynamics on a superhydrophilic surface with artificial nucleation sites. International Journal of Heat and Mass Transfer 2011, 54, 1572-1577.
(17) Lu, Z.; Zhu, W.; Yu, X.; Zhang, H.; Li, Y.; Sun, X.; Wang, X.; Wang, H.; Wang, J.; Luo, J.; others Ultrahigh hydrogen evolution performance of under-water “superaerophobic” nanostructured electrodes. Advanced Materials 2014, 26, 2683-2687.
(18) Li, Y.; Zhang, H.; Xu, T.; Lu, Z.; Wu, X.; Wan, P.; Sun, X.; Jiang, L. Under-water superaerophobic pine-shaped Pt nanoarray electrode for ultrahigh-performance hydrogen evolution. Advanced Functional Materials 2015, 25, 1737-1744.
(19) Hao, J.; Yang, W.; Huang, Z.; Zhang, C. Superhydrophilic and superaerophobic copper phosphide microsheets for efficient electrocatalytic hydrogen and oxygen evolution. Advanced Materials Interfaces 2016, 3, 1600236.
(20) Iwata, R.; Zhang, L.; Wilke, K. L.; Gong, S.; He, M.; Gallant, B. M.; Wang, E. N. Bubble growth and departure modes on wettable/non-wettable porous foams in alkaline water splitting. Joule 2021, 5, 887-900.
(21) Andaveh, R.; Darband, G. B.; Maleki, M.; Rouhaghdam, A. S. Superaerophobic/superhydrophilic surfaces as advanced electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction: a comprehensive review. Journal of Materials Chemistry A 2022, 10, 51475173.
(22) Cheng, X.; Du, Z.-d.; Ding, Y.; Li, F.-y.; Hua, Z.-s.; Liu, H. Bubble Management for Electrolytic Water Splitting by Surface Engineering: A Review. Langmuir 2023,
(23) Winther-Jensen, O.; Chatjaroenporn, K.; Winther-Jensen, B.; MacFarlane, D. R. Towards hydrogen production using a breathable electrode structure to directly separate gases in the water splitting reaction. International Journal of Hydrogen Energy 2012, 37, 8185-8189.
(24) Tiwari, P.; Tsekouras, G.; Wagner, K.; Swiegers, G. F.; Wallace, G. G. A new class of bubble-free water electrolyzer that is intrinsically highly efficient. International Journal of Hydrogen Energy 2019, 44, 23568-23579.
(25) Tsekouras, G.; Terrett, R.; Yu, Z.; Cheng, Z.; Swiegers, G. F.; Tsuzuki, T.; Stranger, R.; Pace, R. J. Insights into the phenomenon of ‘bubble-free’ electrocatalytic oxygen evolution from water. Sustainable Energy & Fuels 2021, 5, 808-819.
(26) Hodges, A.; Hoang, A. L.; Tsekouras, G.; Wagner, K.; Lee, C.-Y.; Swiegers, G. F.; Wallace, G. G. A high-performance capillary-fed electrolysis cell promises more costcompetitive renewable hydrogen. Nature Communications 2022, 13, 1304.
(27) Kadyk, T.; Bruce, D.; Eikerling, M. How to Enhance Gas Removal from Porous Electrodes? Scientific Reports 2016, 6.
(28) Teschke, O.; Galembeck, F. A New Type of Separator for High Temperature Water Electrolyzers. Journal of The Electrochemical Society 1983, 130, 33-36.
(29) Teschke, O.; Galembeck, F. Effect of PTFE Coverage on the Performance of Gas Evolving Electrodes. Journal of The Electrochemical Society 1984, 131, 1095-1097.
(30) Brussieux, C.; Viers, P.; Roustan, H.; Rakib, M. Controlled electrochemical gas bubble release from electrodes entirely and partially covered with hydrophobic materials. Electrochimica Acta 2011, 56, 7194-7201.
(31) Lake, J. R.; Soto, Á. M.; Varanasi, K. K. Impact of Bubbles on Electrochemically Active Surface Area of Microtextured Gas-Evolving Electrodes. Langmuir 2022, 38, 3276-3283.
(32) Matsushima, H.; Nishida, T.; Konishi, Y.; Fukunaka, Y.; Ito, Y.; Kuribayashi, K. Water electrolysis under microgravity: Part 1. Experimental technique. Electrochimica Acta 2003, 48, 4119-4125.
(33) Zhou, J.; Zhang, Y.; Wei, J. A modified bubble dynamics model for predicting bubble departure diameter on micro-pin-finned surfaces under microgravity. Applied Thermal Engineering 2018, 132, 450-462.
(34) Brinkert, K.; Richter, M. H.; Akay, Ö.; Liedtke, J.; Giersig, M.; Fountaine, K. T.; Lewerenz, H.-J. Efficient solar hydrogen generation in microgravity environment. Nature Communications 2018, 9, 2527.
(35) Akay, Ö.; Bashkatov, A.; Coy, E.; Eckert, K.; Einarsrud, K. E.; Friedrich, A.; Kimmel, B.; Loos, S.; Mutschke, G.; Röntzsch, L.; others Electrolysis in reduced gravitational environments: current research perspectives and future applications. npj Microgravity 2022, 8, 56.
(36) Akay, Ö.; Poon, J.; Robertson, C.; Abdi, F. F.; Cuenya, B. R.; Giersig, M.; Brinkert, K. Releasing the bubbles: nanotopographical electrocatalyst design for efficient photoelectrochemical hydrogen production in microgravity environment. Advanced Science 2022, 9, 2105380.
(37) Raza, M. Q.; Köckritz, M. v.; Sebilleau, J.; Colin, C.; Zupancic, M.; Bucci, M.; Troha, T.; Golobic, I. Coalescence-induced jumping of bubbles in shear flow in microgravity. Physics of Fluids 2023, 35.
(38) Bashkatov, A.; Yang, X.; Mutschke, G.; Fritzsche, B.; Hossain, S. S.; Eckert, K. Dynamics of single hydrogen bubbles at Pt microelectrodes in microgravity. Physical Chemistry Chemical Physics 2021, 23, 11818-11830.
(39) Janssen, L. J.; Hoogland, J. The effect of electrolytically evolved gas bubbles on the thickness of the diffusion layer. Electrochimica Acta 1970, 15, 1013-1023.
(40) Sides, P. J.; Tobias, C. W. A close view of gas evolution from the back side of a transparent electrode. Journal of the Electrochemical Society 1985, 132, 583.
(41) Hashemi, S. M. H.; Karnakov, P.; Hadikhani, P.; Chinello, E.; Litvinov, S.; Moser, C.; Koumoutsakos, P.; Psaltis, D. A versatile and membrane-less electrochemical reactor for the electrolysis of water and brine. Energy & Environmental Science 2019, 12, 1592-1604.
(42) Ikeda, H.; Misumi, R.; Nishiki, Y.; Kuroda, Y.; Mitsushima, S. tert-Butyl-alcoholinduced breakage of the rigid bubble layer that causes overpotential in the oxygen evolution reaction during alkaline water electrolysis. Electrochimica Acta 2023, 452, 142283.
(43) Westerheide, D. E.; Westwater, J. Isothermal growth of hydrogen bubbles during electrolysis. AIChE Journal 1961, 7, 357-362.
(44) Bashkatov, A.; Hossain, S. S.; Mutschke, G.; Yang, X.; Rox, H.; Weidinger, I. M.; Eckert, K. On the growth regimes of hydrogen bubbles at microelectrodes. Physical Chemistry Chemical Physics 2022, 24, 26738-26752.
(45) Park, S.; Liu, L.; Demirkır, Ç.; van der Heijden, O.; Lohse, D.; Krug, D.; Koper, M. T. Solutal Marangoni effect determines bubble dynamics during electrocatalytic hydrogen evolution. Nature Chemistry 2023, 1-9.
(46) Yang, X.; Karnbach, F.; Uhlemann, M.; Odenbach, S.; Eckert, K. Dynamics of single hydrogen bubbles at a platinum microelectrode. Langmuir 2015, 31, 8184-8193.
(47) Bashkatov, A.; Hossain, S. S.; Yang, X.; Mutschke, G.; Eckert, K. Oscillating hydrogen bubbles at Pt microelectrodes. Physical Review Letters 2019, 123, 214503.
(48) Kristof, P.; Pritzker, M. Effect of electrolyte composition on the dynamics of hydrogen gas bubble evolution at copper microelectrodes. Journal of Applied Electrochemistry 1997, 27, 255-265.
(49) Brandon, N.; Kelsall, G. Growth kinetics of bubbles electrogenerated at microelectrodes. Journal of Applied Electrochemistry 1985, 15, 475-484.
(50) Fernandez, D.; Maurer, P.; Martine, M.; Coey, J.; Möbius, M. E. Bubble formation at a gas-evolving microelectrode. Langmuir 2014, 30, 13065-13074.
(51) Massing, J.; Mutschke, G.; Baczyzmalski, D.; Hossain, S. S.; Yang, X.; Eckert, K.; Cierpka, C. Thermocapillary convection during hydrogen evolution at microelectrodes. Electrochimica Acta 2019, 297, 929-940.
(52) Hossain, S. S.; Mutschke, G.; Bashkatov, A.; Eckert, K. The thermocapillary effect on gas bubbles growing on electrodes of different sizes. Electrochimica Acta 2020, 353, 136461.
(53) Babich, A.; Bashkatov, A.; Yang, X.; Mutschke, G.; Eckert, K. In-situ measurements of temperature field and Marangoni convection at hydrogen bubbles using schlieren and PTV techniques. International Journal of Heat and Mass Transfer 2023, 215, 124466.
(54) Zhan, S.; Yuan, R.; Wang, X.; Zhang, W.; Yu, K.; Li, B.; Wang, Z.; Wang, J. Dynamics of growth and detachment of single hydrogen bubble on horizontal and vertical microelectrode surfaces considering liquid microlayer structure in water electrolysis. Physics of Fluids 2023, 35.
(55) Meulenbroek, A.; Vreman, A.; Deen, N. Competing Marangoni effects form a stagnant cap on the interface of a hydrogen bubble attached to a microelectrode. Electrochimica Acta 2021, 385, 138298.
(56) Perez Sirkin, Y. A.; Gadea, E. D.; Scherlis, D. A.; Molinero, V. Mechanisms of nucleation and stationary states of electrochemically generated nanobubbles. Journal of the American Chemical Society 2019, 141, 10801-10811.
(57) Chen, Q.; Wiedenroth, H. S.; German, S. R.; White, H. S. Electrochemical nucleation of stable nanobubbles at Pt nanoelectrodes. Journal of the American Chemical Society 2015, 137, 12064-12069.
(58) German, S. R.; Edwards, M. A.; Ren, H.; White, H. S. Critical nuclei size, rate, and activation energy of gas nucleation. Journal of the American Chemical Society 2018, 140, 4047-4053.
(59) Sepahi, F.; Verzicco, R.; Lohse, D.; Krug, D. Mass transport at gas-evolving electrodes. 2023.
(60) Young, N.; Goldstein, J. S.; Block, M. The motion of bubbles in a vertical temperature gradient. Journal of Fluid Mechanics 1959, 6, 350-356.
(61) Guelcher, S. A.; Solomentsev, Y. E.; Sides, P. J.; Anderson, J. L. Thermocapillary phenomena and bubble coalescence during electrolytic gas evolution. Journal of The Electrochemical Society 1998, 145, 1848.
(62) Lubetkin, S. Thermal Marangoni effects on gas bubbles are generally accompanied by solutal Marangoni effects. Langmuir 2003, 19, 10774-10778.
(63) Yang, X.; Baczyzmalski, D.; Cierpka, C.; Mutschke, G.; Eckert, K. Marangoni convection at electrogenerated hydrogen bubbles. Physical Chemistry Chemical Physics 2018, 20, 11542-11548.
(64) Soto, Á. M.; Maddalena, T.; Fraters, A.; Van Der Meer, D.; Lohse, D. Coalescence of diffusively growing gas bubbles. Journal of Fluid Mechanics 2018, 846, 143-165.
(65) Lv, P.; Peñas, P.; Eijkel, J.; Van Den Berg, A.; Zhang, X.; Lohse, D.; others Selfpropelled detachment upon coalescence of surface bubbles. Physical Review Letters 2021, 127, 235501.
(66) Sanjay, V.; Lohse, D.; Jalaal, M. Bursting bubble in a viscoplastic medium. Journal of Fluid Mechanics 2021, 922, A2.
(67) Thorncroft, G. E.; Klausner, J. F. Bubble forces and detachment models. Multiphase Science and Technology 2001, 13.
(68) Favre, L.; Colin, C.; Pujet, S.; Mimouni, S. An updated force balance approach to investigate bubble sliding in vertical flow boiling at low and high pressures. International Journal of Heat and Mass Transfer 2023, 211, 124227.
(69) Hossain, S. S.; Bashkatov, A.; Yang, X.; Mutschke, G.; Eckert, K. Force balance of hydrogen bubbles growing and oscillating on a microelectrode. Physical Review E 2022,
(70) Pande, N.; Mul, G.; Lohse, D.; Mei, B. Correlating the short-time current response of a hydrogen evolving nickel electrode to bubble growth. Journal of The Electrochemical Society 2019, 166, E280.

توضح الشكل S1 التيار الكهربائي على مدى 5 ثوانٍ (من أصل 30 ثانية) من التجربة عند إمكانيات مختلفة. ). يتم عرض التيارات لـ للأقطاب الكهربائية اليسرى واليمنى (انظر الشكل 1أ في المخطوطة)، يتم تشغيلها بشكل منفصل.

الشكل S2 يصف خمسة أقطاب كهربائية من حيث التيار الكهربائي ( )، العمر ( )، ونصف القطر عند المغادرة ( ) مقابل يتم حسابه كمتوسط على مدى 30 ثانية وعلى الأقطاب الكهربائية اليسرى واليمنى. و يتم حسابها كمتوسط لفقاعات متعددة وترافقها الانحرافات المعيارية. الانحراف المعياري المنخفض لـ و يظهر بشكل كبير

التطور الدوري للف bubbles. التيار المتشابه إلى حد كبير بين مختلف يشير إلى أن أسطح هذه الأقطاب الكهربائية متشابهة. ومع ذلك، فإن الاختلافات الصغيرة كافية للتأثير على الديناميات لـ فقاعات وتغير بشكل كبير من عمرها وحجمها عند المغادرة.

لإكمال النتائج المقدمة في المخطوطة، توثق الأشكال S3 و S4 التيار الكهربائي مقابل الوقت تم رسمه لمدة ثانية واحدة من 30 ثانية من مدة التجربة. يتم رسمه لجهود مختلفة ( ) والمسافة بين الأقطاب ( ). الأشكال S3a و S3b و

ج هي من أجل ، على التوالي. الأشكال S4a و b هي لـ و (ب) .

توضح الشكل S5 عمر الفقاعات المنتجة عند القطبين المزدوجين مقابل الجهد لأنماط I (يسار) و II (يمين) ولإلكترودات مختلفة. يتم حسابه كمتوسط لفقاعات متعددة ويصاحبه الانحرافات المعيارية. يمكن ملاحظة اتجاهين رئيسيين: (ط) نظرًا لأن نصف قطر المغادرة في الوضع الأول مستقل عن يقل عند الفائض الكهربائي الأكبر، بسبب زيادة التيار الكهربائي. كما أنه يزيد مع ، خاصة في الأماكن الأكبر . – هذا لأن زوج الفقاعات يحتاج إلى النمو إلى حجم أكبر قبل التمازج عند حجم أكبر ; (ii) من ناحية أخرى، يزداد عند الفائض الكهربائي الأكبر ويقل عند الأكبر . كما ذُكر بالفعل في المخطوطة، فإن الفائض الأكبر يعني وجود قوى أكبر تعمل في الاتجاه المعاكس، مما يزيد من حجم انفصال الفقاعة. لذلك ستستمر الفقاعة في النمو لفترة أطول. ومع ذلك، فإن فصل اثنين من الأقطاب عن بعضهما البعض يتطلب المزيد من
المسافات يمكن أن يتيح تيارات أعلى، وبالتالي أسرع معدل الإنتاج.

توضح الشكل S6 المسافة التي قطعها الفقاعة المدمجة في الاتجاه العمودي خلال أول 5 مللي ثانية بعد انطلاق الإلكترود المدفوع بحدث التلاحم عند . تظهر النتائج لـ و -0.5 فولت وثلاث فقاعات في كل حالة. توثق المنحنيات أن سرعة القفز تتناقص بشكل ملحوظ مع مرور الوقت ( بسبب تأثيرات قوة السحب، خاصة في اللحظات التي تلي القفزة. ومن المثير للاهتمام أن “السرعة النهائية” للفقاعة، التي يمكن قراءتها من ميل المنحنيات، أي بعد حوالي 2 مللي ثانية، زادت عند جهد زائد أكبر (-0.5 فولت). يمكن تفسير ذلك بالتيار خلف الفقاعة الصاعدة السابقة. هذا التدفق يسحب، وبالتالي يسرع الفقاعة المدمجة في لحظة الانطلاق. يزداد التيار مع مغادرة الفقاعات السابقة بشكل أسرع (أصغر ) وهو الحال في جهد أكثر سلبية.

الشكل S7 يمثل سرعة القفز العمودي لعدد كبير من الفقاعات، متوسطًا على أول 0.5 مللي ثانية من القفزة، مقابل نسبة حجم الوالد . التجارب التي أجريت في و (أ) ، (ب) . و هي أنصاف أقطار الفقاعات الصغيرة والكبيرة، على التوالي. تُظهر المعلمات الهندسية في الشكل S7c. مقياس شريط الألوان يُظهر معلمة هندسية أخرى. مُعطى بشكل غير بعدي. يمثل الموقع النسبي للفقاعة، أي المسافة من قاع الفقاعة إلى القطب، المختارة كأقصى قيمة بين الفقاعات الصغيرة والكبيرة. تجلس الفقاعة على القطب إذا وهو بعيد عن القطب إذا . الدوائر تمثل الوضع الأول، أي عندما يغادر الفقاعة إلى الكتلة بعد حدث الاندماج، والمربعات

تشير إلى الوضع الثاني، أي عندما تعود الفقاعة التي غادرت سابقًا بعد حدث التلاحم إلى السطح، وتستمر في النمو، وتغادر في مرحلة لاحقة بسبب الطفو. لاحظ أن يختلف بشكل كبير اعتمادًا على موضع الفقاعتين قبل الاندماج ونسبة حجمهما.

تظهر الأشكال S 7 أ وب اتجاهين عامين: (i) يقل وفقًا للتقليل في وبحسب الزيادة في ; (ii) عند جهد أعلى، وبالتالي التيار، ستقوم الفقاعة بـ
عد إلى القطب الكهربائي بشكل أكثر تكرارًا مع الابتعاد بسرعة قفز أعلى، كما تم التأكيد عليه بالفعل في المخطوطة (انظر الشكل 5).

عند تلاحم فقاعتين، يحدث إطلاق للطاقة السطحية المعطاة كـ

أين و هي الفقاعات اليسرى، اليمنى والمدمجة، على التوالي. هو توتر السطح للكهارل. الطاقة المنبعثة تتبدد جزئيًا من خلال اهتزازات الفقاعة، مما يعمل ضد السحب اللزج. عندما تكون بالقرب من السطح، يتم تحويل الطاقة المتبقية إلى الطاقة الحركية ( ) التي تدفع الفقاعة الناتجة (المتجمعة) للقفز عن القطب الكهربائي. الطاقة الحركية هي

حيث هو معامل الكتلة المضافة، كثافة الكهارل و هي سرعة القفز الأولية. بالنسبة لفقاعة كروية ، ومع ذلك، عندما تكون الفقاعة بالقرب من الجدار، يكون المعامل أكبر. بالتفصيل، عندما تقترب فقاعتان من بعضهما البعض، يتم تصريف الفيلم الرقيق من الكهارل الذي يفصل بينهما تدريجيًا وفي النهاية يتمزق. يؤدي ذلك إلى تشكيل عنق، أي تجويف مفتوح، وسلسلة من الموجات الشعرية ذات القوة المتفاوتة التي تنتشر على طول واجهة الكهارل-الغاز. تتحرك هذه الموجات بعيدًا عن منطقة العنق حتى تلتقي عند قمة التقاء التجمع (انظر المخطوطة، الشكل 3c). تقل قوة هذه الموجات كلما انتقلت على طول الواجهة بسبب التبدد اللزج المستمر. في هذه الأثناء، توتر السطح يدفع انكماش الموجات الشعرية المتبقية نحو شكل كروي، مما يشوه شكل الفقاعة. بمجرد أن تتجاوز الطاقة السطحية الزائدة العمل المنجز بواسطة الفقاعة ضد السحب اللزج ( ) خلال عمليات التمدد والانكماش، فإن المكون الصافي الناتج من الزخم العمودي على السطح يتسبب في قفز الفقاعة عن القطب الكهربائي. نظرًا لأن أيًا من الفقاعات ليست ملتصقة بالقطب الكهربائي، يتم تجاهل طاقة الالتصاق . يتم التحكم في
العملية بواسطة توتر السطح واللزوجة وغالبًا ما يتم وصفها من حيث رقم أونيسورغ هو اللزوجة الديناميكية للكهارل. تأثير الجاذبية أثناء التجمع، قبل الإقلاع، ضئيل. بينما تعتبر العملية غير فعالة للغاية، مع تحويل جزء صغير فقط من الطاقة السطحية إلى طاقة حركية، إلا أنها كافية لفقاعة ناتجة للقفز عن القطب الكهربائي مكتسبة سرعة أولية .

الشكل S8 يوثق تقدير النسبة بين الطاقة الحركية المترجمة ( ) والطاقة السطحية المنبعثة ( ) كدالة لـ (أ) و (ب) . تم حساب نقاط البيانات في الشكل S8a باستخدام المعادلة 1 والمعادلة 2 من خلال أخذ و للفقاعات المعروضة في الشكل S7a، أي عند و . تمثل الدوائر الفقاعات التي تتبع الوضع I والمربعات الوضع II. تستند نقاط البيانات في الشكل S8b إلى من الشكل 6a و من الشكل 5d في المخطوطة، مع افتراض أن ، ومن ثم .

على الرغم من أن السرعة المأخوذة أصغر من سرعة القفز الأولية وتتأثر أكثر بالذيل خلف الفقاعة السابقة المغادرة، يؤكد الشكل S8 عدم كفاءة عملية التجمع، حيث أن الطاقة الحركية المترجمة أقل من من الطاقة السطحية المنبعثة.

لتوفير فهم عام للعلاقة بين الاحتمالية ( )، المسافة بين الأقطاب الكهربائية ، والتيار الكهربائي المعروضة في الشكل 5 (انظر المخطوطة)، نقترح نموذجًا بسيطًا يعتمد على سرعة الفقاعة المغادرة ومعدل نمو الفقاعة اللاحقة. يتنبأ النموذج بالحجم الحرج للتيار المطلوب لإنتاج الهيدروجين بسرعة كافية لضمان التجمع بين الفقاعة المغادرة ( ) ووريثها ( ). الوقت الذي تستغرقه الفقاعة الجديدة للنمو إلى نصف القطر هو والذي يمكن العثور عليه من قوانين فاراداي وقوانين الغاز المثالي.

قانون الغاز المثالي المعطى كـ

حيث هو الضغط داخل الفقاعة، هو حجم الغاز، هو الكتلة الكلية للغاز، هو الكتلة المولية، هو ثابت الغاز المثالي و هو درجة حرارة الغاز. الشحنة المنتجة هي

قانون فاراداي يقرأ

حيث هو ثابت فاراداي و هو التكافؤ للأيونات ( +1 ) مضروبًا في عدد البروتونات (2).

من خلال استبدال المعادلات 4 والمعادلة 5 في المعادلة 3

مع . خلال هذه الفترة الزمنية ، تسافر الفقاعة المغادرة المسافة
، مع تشير إلى سرعة القفز الفعالة. بناءً على هندسة المثلث الذي يمتد بين مراكز الفقاعتين ونقطة A في الشكل 5c (انظر المخطوطة)، يمكن التعبير عن العلاقة التالية:

حيث أو تؤخذ من التجربة (انظر الشكل 6a).
من خلال استبدال في المعادلة 7، يتم إعطاء التيار الحرج لانتقال الوضع كدالة لـ :

لقد أظهر أن الفقاعة تنمو بينما تجلس على سجادة من الفقاعات الدقيقة، خاضعة لتجمع مكثف مستمر معها. على مدار العديد من أحداث التجمع، تشهد الفقاعة الأم تحولًا في مركز الكتلة، مما يؤدي إلى تسارع نحو سطح القطب الكهربائي. يمكن اعتبار هذا التسارع كقوة ظاهرة . يتم اشتقاق تقدير لهذه القوة الظاهرة من مبدأ حفظ الزخم، المعطى كـ

حيث و تمثل الكتلة الكلية ومركز الكتلة للفقاعة في الوقت ، على التوالي؛ و تشير إلى الكتلة الأولية ومركز الكتلة للفقاعة في وقت عشوائي ؛ و تمثل معدل حقن الكتلة بسبب التجمع المستمر مع سجادة الفقاعات الدقيقة مع مركز الكتلة عند و ثابتة. جميع مراكز الكتلة تشير إلى سطح القطب الكهربائي. كتلة الفقاعة في أي لحظة معينة هي

من خلال استبدال من المعادلة 9 في المعادلة 10

نظرًا لأن عند تيار معين هو ثابت (وكذلك و )

نفترض أيضًا أن ثابت أيضًا عند . من خلال إجراء التفاضل مرة أخرى باستخدام المعادلة 12

من خلال استبدال المعادلة 12 في المعادلة 13

عند النظر فقط إلى فترة قصيرة ، يمكننا تقريب وتقرأ المعادلة 14

، والتي هي سمك السجادة، يتم تجاهلها أيضًا. باستخدام قوانين فاراداي وقوانين الغاز المثالي

حيث .
أخيرًا، من خلال استبدال المعادلة 16 في المعادلة 15، تقرأ القوة الظاهرة

الشكل S9 يوثق مقارنة بين قوة الطفو والقوة الظاهرة، المحسوبة باستخدام المعادلة 17 عند (التي تتوافق تقريبًا مع الحد الأقصى للتيار الملاحظ في هذه الدراسة)، مقابل نصف قطر الفقاعة . تُعرف قوة الطفو كـ ، حيث تمثل تسارع الجاذبية. يوضح الشكل S9 أن التجمع المستمر مع سجادة الفقاعات الدقيقة لا يفرض قوة ظاهرة كبيرة على الفقاعة. – هذه القوة تتلاشى بسرعة مع زيادة وتصبح أصغر من قوة الطفو عند حوالي .

(1) Lv, P.; Peñas, P.; Eijkel, J.; Van Den Berg, A.; Zhang, X.; Lohse, D.; others Self-propelled detachment upon coalescence of surface bubbles. Physical Review Letters 2021, 127, 235501.
(2) Raza, M. Q.; Köckritz, M. v.; Sebilleau, J.; Colin, C.; Zupancic, M.; Bucci, M.; Troha, T.;

Golobic, I. Coalescence-induced jumping of bubbles in shear flow in microgravity. Physics of Fluids 2023, 35.
(3) Sanjay, V.; Lohse, D.; Jalaal, M. Bursting bubble in a viscoplastic medium. Journal of Fluid Mechanics 2021, 922, A2.

imaging and electrochemical analysis, we demonstrate the importance of bubble-bubble interactions for the departure process. We show that bubble coalescence may lead to substantially earlier bubble departure as compared to buoyancy effects alone, resulting in considerably higher reaction rates at constant potential. However, due to continued mass input and conservation of momentum repeated coalescence events with bubbles close to the electrode may drive departed bubbles back to the surface beyond a critical current, which increases with the electrode spacing. The latter leads to the resumption of bubble growth near the electrode surface, followed by buoyancy-driven departure. While less favourable at small electrode spacing, this configuration proves to be very beneficial at larger separations increasing the mean current up to 2.4 times compared to a single electrode under the conditions explored in this study.

Water electrolysis is likely to become a central technology in the -neutral energy system of the future. Apart from being a potential energy carrier and fuel, hydrogen gas serves as a feedstock for the chemical (e.g. ammonia production for fertilisers) and steel industries (coal replacement), and refineries (methanol, synthetic fuels). Yet, the process efficiency requires further improvement to compete on the energy market and enable large-scale hydrogen production. In both conventional alkaline and proton exchange membrane water electrolyzers a considerable part of the overpotentials and hence losses can be attributed to the formation of and bubbles, present at the electrodes and in the bulk. These bubbles block the electrodes by masking their active surface area, reducing the number of nucleation sites. Additionally, they raise ohmic resistance by blocking the ion-conducting pathways. It is therefore vital to maintain a bubble-free electrode area for continuous catalytic activity. Enhanced removal of gas bubbles and deeper insights into their evolution processes will benefit further optimization of the system’s energy efficiency.

Various methods have been developed to aid bubble departure, categorized as active (e.g.,
sonication, centrifugal forces, mechanical convection, pressure modulation, external magnetic fields) and passive approaches. Passive methods, preferred for their energy-efficiency, primarily involve surface modifications to alter the wettability of the catalytic surface. For example, superhydrophilic surfaces facilitate earlier bubble departure due to the reduced contact angle at liquid-solid interfaces.