DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c02018
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38538570
تاريخ النشر: 2024-03-27
المؤلف: Aleksandr Bashkatov وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تدرس الدراسة ديناميات فقاعات الهيدروجين الناتجة أثناء التحليل الكهربائي للماء باستخدام نظام أقطاب ميكروية مزدوجة من البلاتين في محلول 0.5 M H₂SO₄. تركز على تلاحم فقاعتين متجاورتين وكيف يؤثر هذا الظاهرة على معدل التفاعل الكهروكيميائي. تكشف النتائج أنه بينما يؤدي التلاحم الأولي إلى مغادرة سريعة للفقاعة المدمجة، يمكن أن يتسبب التلاحم اللاحق مع فقاعات جديدة في عودة الفقاعة المدمجة إلى سطح القطب، مما يؤدي إلى نمو مطول. يكون هذا السلوك أكثر وضوحًا عند التيارات العالية والمسافات بين الأقطاب الصغيرة، مما يمكن أن يلغي مكاسب الكفاءة الناتجة عن مغادرة الفقاعات المباشرة.
تم اقتراح نموذج بسيط للتنبؤ بالتيار الحرج اللازم لبدء هذه العملية العائدة، مشيرًا إلى أنه حتى عندما تعود الفقاعات، يمكن أن يزيد التيار الفعال بشكل كبير بسبب مساحة القطب الأكبر المعرضة للتفاعل. تؤكد الدراسة على الإمكانية لتحسين الأداء من خلال تحسين تكوينات الأقطاب، مثل استخدام جزر كارهة للماء لتعزيز ديناميات الفقاعات المواتية مع تقليل عودة الفقاعات. تسلط الأبحاث الضوء على التفاعل المعقد بين ديناميات الفقاعات، والمسافة بين الأقطاب، والكفاءة الكهروكيميائية في التحليل الكهربائي للماء.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية التحليل الكهربائي للماء كتكنولوجيا محورية لتحقيق نظام طاقة محايد لثاني أكسيد الكربون، لا سيما من خلال إنتاج غاز الهيدروجين، الذي يخدم تطبيقات صناعية متعددة. على الرغم من إمكانيته، لا تزال كفاءة التحليل الكهربائي للماء تمثل تحديًا، بشكل أساسي بسبب الفائض المحتمل المرتبط بتكوين فقاعات الهيدروجين (H₂) والأكسجين (O₂) عند الأقطاب. تعيق هذه الفقاعات المناطق السطحية النشطة وتزيد من المقاومة الأومية، مما يستلزم استراتيجيات للحفاظ على ظروف الأقطاب خالية من الفقاعات لتحقيق نشاط تحفيزي مثالي.
لمعالجة هذه التحديات، تم استكشاف طرق مختلفة لتعزيز إزالة الفقاعات، بما في ذلك الأساليب النشطة والسلبية. غالبًا ما تتضمن الأساليب السلبية، التي تفضل لكفاءتها الطاقية، تعديلات سطحية لتحسين القابلية للرطوبة، مثل استخدام الأسطح فائقة الكارهة للماء أو المحبة للماء. تناقش الورقة مفاهيم مبتكرة مثل التحليل الكهربائي الخالي من الفقاعات باستخدام طبقات مسامية كارهة للماء وجزر كارهة للماء على الأقطاب لتسهيل إزالة الغاز وتقليل الفائض المحتمل الناتج عن الفقاعات. كما يشير المؤلفون إلى أنه على الرغم من أن الدراسات السابقة أظهرت وعدًا في ديناميات الفقاعات، إلا أن الفهم الشامل لإزالة الفقاعات الناتجة عن التلاحم وتأثيرها على أداء الأقطاب لا يزال غير مستكشف بشكل كافٍ. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال دراسة ديناميات تلاحم فقاعات الهيدروجين في إعداد أقطاب ميكروية مزدوجة، كاشفة أن التلاحم يمكن أن يعزز بشكل كبير مغادرة الفقاعات ويغير معدلات التفاعل، محققًا زيادة تصل إلى 2.4 ضعف في التيار مقارنة بتكوينات الأقطاب الميكروية الفردية.
طرق
في هذه الدراسة، تم توليد فقاعات الهيدروجين (H₂) على سطح الأقطاب الميكروية المزدوجة من البلاتين أثناء تفاعل تطور الهيدروجين (HER) داخل خلية كهروكيميائية ثلاثية تحتوي على 0.5 M H₂SO₄. تم تصنيع الأقطاب الميكروية المزدوجة عن طريق ختم سلكين من البلاتين في شعيرة زجاجية، تلاها تنظيف وتحضير كهروكيميائي. شمل الإعداد التجريبي جهاز تحكم في الجهد الكهربائي يتحكم في الأقطاب عند جهد ثابت يتراوح بين -0.2 إلى -2.8 فولت (مقابل RHE)، مع تسجيل التيار الكهربائي بمعدل أخذ عينات لا يقل عن 1 كيلو هرتز على مدى 30 ثانية.
لتصور ديناميات الفقاعات، تم استخدام نظام تصوير الظل مع إضاءة LED وكاميرا عالية السرعة، تلتقط الصور بسرعة تصل إلى 264 كيلو هرتز لحل أحداث التلاحم. تم تحديد نصف قطر الفقاعة باستخدام طريقة كشف الحواف Canny في MATLAB. بالإضافة إلى ذلك، لقياس مجالات السرعة حول الفقاعات، تم إدخال جزيئات بوليسترين أحادية التوزيع في الإلكتروليت، وتم تتبع حركتها باستخدام تقنية تتبع الجزيئات (PTV) على مدى فترة زمنية قصيرة. سمحت هذه المنهجية الشاملة بتحليل مفصل لسلوك الفقاعات وديناميات السوائل المحيطة بها.
مناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون ديناميات تكوين الفقاعات وتلاحمها في الأنظمة الكهروكيميائية باستخدام تكوينات أقطاب فردية ومزدوجة. في البداية، يحددون خط الأساس من خلال تحليل سلوك القطب الفردي، حيث يحدث تكوين الفقاعات عند فائض منخفض، مما يؤدي إلى تقلبات دورية في التيار. يظهر أن التيار العابر ونصف قطر الفقاعة مرتبطان، حيث تؤدي مغادرة الفقاعات إلى تقليل كبير في التيار بسبب نمو فقاعات جديدة. تكشف الدراسة أن التيار المتوسط، ونصف قطر مغادرة الفقاعات، ومدة حياتها تختلف مع الجهود الكاثودية، مما يشير إلى أن ديناميات الفقاعات تتأثر بالقوى الكهربائية والحرارية والذائبة.
عندما يتم تشغيل كلا القطبين في وقت واحد، يلاحظ المؤلفون أن تلاحم الفقاعات من الأقطاب المجاورة يغير ديناميات التيار. عند الفوائض المنخفضة، تظل تذبذبات التيار دورية ولكن مع انخفاض في السعة والتردد بسبب تفاعلات الفقاعات. تحدد الدراسة وضعين متميزين من سلوك الفقاعات: “الوضع الأول”، الذي يتميز بالمغادرة الفورية بعد التلاحم، و”الوضع الثاني”، حيث تعود الفقاعة إلى القطب بعد التلاحم، مما يؤدي إلى نمو مطول. يتأثر الانتقال بين هذين الوضعين بالمسافة بين الأقطاب والجهد، مع تيار حرج مطلوب لعودة الفقاعات. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن يعزز التلاحم الأداء من خلال زيادة معدلات إزالة الغاز، فإن الفعالية تتناقص عند المسافات الصغيرة بين الأقطاب بسبب عودة الفقاعات التي تعيق المناطق السطحية النشطة. بشكل عام، تسلط الأبحاث الضوء على التفاعل المعقد بين ديناميات الفقاعات والأداء الكهروكيميائي، مما يشير إلى أن تحسين تكوينات الأقطاب يمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في معدلات التفاعل.
DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c02018
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38538570
Publication Date: 2024-03-27
Author(s): Aleksandr Bashkatov et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The study investigates the dynamics of hydrogen bubbles generated during water electrolysis using a dual platinum micro-electrode system in a 0.5 M H₂SO₄ solution. It focuses on the coalescence of two adjacent bubbles and how this phenomenon affects the electrochemical reaction rate. The findings reveal that while the initial coalescence leads to a rapid departure of the merged bubble, subsequent coalescence with newly formed bubbles can cause the merged bubble to return to the electrode surface, resulting in prolonged growth. This behavior is more pronounced at higher currents and smaller interelectrode distances, which can negate the efficiency gains from direct bubble departure.
A simple model was proposed to predict the critical current needed to initiate this return process, highlighting that even when bubbles return, the effective current can increase significantly due to the larger electrode area exposed for the reaction. The study emphasizes the potential for enhanced performance by optimizing electrode configurations, such as using hydrophobic islands to promote favorable bubble dynamics while minimizing bubble return. The research underscores the complex interplay between bubble dynamics, electrode distance, and electrochemical efficiency in water electrolysis.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of water electrolysis as a pivotal technology for achieving a CO₂-neutral energy system, particularly through the production of hydrogen gas, which serves multiple industrial applications. Despite its potential, the efficiency of water electrolysis remains a challenge, primarily due to overpotentials associated with the formation of hydrogen (H₂) and oxygen (O₂) bubbles at the electrodes. These bubbles obstruct active surface areas and increase ohmic resistance, necessitating strategies to maintain bubble-free electrode conditions for optimal catalytic activity.
To address these challenges, various methods for enhancing bubble removal have been explored, including both active and passive approaches. Passive methods, which are favored for their energy efficiency, often involve surface modifications to improve wettability, such as the use of superhydrophilic or hydrophobic surfaces. The paper discusses innovative concepts like bubble-free electrolysis utilizing hydrophobic porous layers and hydrophobic islands on electrodes to facilitate gas removal and reduce bubble-induced overpotentials. The authors also note that while previous studies have shown promise in bubble dynamics, a comprehensive understanding of coalescence-induced bubble removal and its impact on electrode performance remains underexplored. This study aims to fill that gap by investigating the coalescence dynamics of hydrogen bubbles at a dual micro-electrode setup, revealing that coalescence can significantly enhance bubble departure and alter reaction rates, achieving up to a 2.4-fold increase in current compared to single micro-electrode configurations.
Methods
In this study, hydrogen (H₂) bubbles were generated at the surface of dual platinum micro-electrodes during the hydrogen evolution reaction (HER) within a three-electrode electrochemical cell containing 0.5 M H₂SO₄. The dual micro-electrodes were fabricated by sealing two platinum wires into a glass capillary, followed by electrochemical cleaning and preparation. The experimental setup included a potentiostat controlling the electrodes at a constant potential ranging from -0.2 to -2.8 V (vs. RHE), with electric current recorded at a sampling rate of at least 1 kHz over 30 seconds.
To visualize bubble dynamics, a shadowgraphy system with LED illumination and a high-speed camera was employed, capturing images at up to 264 kHz to resolve coalescence events. The bubble radius was determined using a Canny edge detection method in MATLAB. Additionally, to measure velocity fields around the bubbles, monodisperse polystyrene particles were introduced into the electrolyte, and their movement was tracked using Particle Tracking Velocimetry (PTV) over a short time frame. This comprehensive methodology allowed for detailed analysis of bubble behavior and surrounding fluid dynamics.
Discussion
In this section, the authors investigate the dynamics of bubble formation and coalescence in electrochemical systems using single and dual electrode configurations. Initially, they establish a baseline by analyzing the behavior of a single electrode, where bubble formation occurs at low overpotentials, leading to periodic current fluctuations. The transient current and bubble radius are shown to correlate, with bubble departure significantly reducing the current due to the growth of new bubbles. The study reveals that the average current, bubble departure radius, and lifetime vary with cathodic potentials, indicating that bubble dynamics are influenced by electric, thermal, and solutal forces.
When both electrodes are operated simultaneously, the authors observe that the coalescence of bubbles from adjacent electrodes alters the current dynamics. At lower overpotentials, the current oscillations remain periodic but with reduced amplitude and frequency due to bubble interactions. The study identifies two distinct modes of bubble behavior: ‘mode I,’ characterized by immediate departure after coalescence, and ‘mode II,’ where the bubble returns to the electrode after coalescence, leading to prolonged growth. The transition between these modes is influenced by interelectrode distance and potential, with a critical current required for bubble return. The findings suggest that while coalescence can enhance performance by increasing gas removal rates, the effectiveness diminishes at smaller electrode separations due to bubble return blocking active surface areas. Overall, the research highlights the complex interplay between bubble dynamics and electrochemical performance, suggesting that optimizing electrode configurations could lead to significant improvements in reaction rates.