Um novo estudo de bolhas nas superfícies dos eletrodos poderia ajudar a melhorar a eficiência dos processos eletroquímicos que produzem combustíveis, produtos químicos e materiais.
Os processos eletroquímicos industriais que utilizam eletrodos para produção de combustíveis e produtos químicos são dificultados pela formação de bolhas que bloqueiam partes da superfície do eletrodo, reduzindo a área disponível para a reação ativa. Esse bloqueio reduz o desempenho dos eletrodos entre 10 e 25 por cento.
Mas novas pesquisas revelam um mal-entendido de décadas sobre a extensão dessa interferência. As descobertas mostram exatamente como funciona o efeito de bloqueio e podem levar a novas maneiras de projetar superfícies de eletrodos para minimizar ineficiências nesses processos eletroquímicos amplamente utilizados.
Há muito se supõe que toda a área do eletrodo sombreada por cada bolha seria efetivamente inativada. Mas acontece que uma área muito menor – aproximadamente a área onde a bolha realmente entra em contato com a superfície – está bloqueada de sua atividade eletroquímica. Os novos insights poderiam levar diretamente a novas formas de padronizar as superfícies para minimizar a área de contato e melhorar a eficiência geral.
As descobertas são relatadas hoje na revista Nanoescala em um artigo do recente graduado do MIT Jack Lake PhD ’23, do estudante de graduação Simon Rufer, do professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi, do cientista pesquisador Ben Blaiszik e de seis outros da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne. A equipe disponibilizou uma ferramenta de software de código aberto baseada em IA que engenheiros e cientistas agora podem usar para reconhecer e quantificar automaticamente bolhas formadas em uma determinada superfície, como um primeiro passo para controlar as propriedades do material do eletrodo.
Eletrodos que liberam gás, muitas vezes com superfícies catalíticas que promovem reações químicas, são usados em uma ampla variedade de processos, incluindo a produção de hidrogênio “verde” sem o uso de combustíveis fósseis, processos de captura de carbono que podem reduzir as emissões de gases de efeito estufa, alumínio produção e o processo de cloro e álcalis que é usado para fabricar produtos químicos amplamente utilizados.
São processos muito difundidos. Somente o processo cloro-álcali é responsável por 2% de todo o consumo de eletricidade nos EUA; a produção de alumínio representa 3% da eletricidade global; e é provável que tanto a captura de carbono como a produção de hidrogénio cresçam rapidamente nos próximos anos, à medida que o mundo se esforça para cumprir as metas de redução dos gases com efeito de estufa. Portanto, as novas descobertas poderão fazer uma diferença real, diz Varanasi.
“Nosso trabalho demonstra que a engenharia do contato e do crescimento de bolhas nos eletrodos pode ter efeitos dramáticos” sobre como as bolhas se formam e como elas saem da superfície, diz ele. “O conhecimento de que a área sob as bolhas pode ser significativamente ativa inaugura um novo conjunto de regras de projeto para eletrodos de alto desempenho para evitar os efeitos deletérios das bolhas.”
“A literatura mais ampla construída ao longo das últimas décadas sugeriu que não apenas aquela pequena área de contato, mas toda a área sob a bolha é passivada”, diz Rufer. O novo estudo revela “uma diferença significativa entre os dois modelos porque muda a forma como você desenvolveria e projetaria um eletrodo para minimizar essas perdas”.
Para testar e demonstrar as implicações deste efeito, a equipe produziu diferentes versões de superfícies de eletrodos com padrões de pontos que nucleavam e aprisionavam bolhas em diferentes tamanhos e espaçamentos. Eles conseguiram mostrar que superfícies com pontos amplamente espaçados promoviam bolhas de grandes tamanhos, mas apenas pequenas áreas de contato superficial, o que ajudou a deixar clara a diferença entre os efeitos esperados e reais da cobertura de bolhas.
O desenvolvimento do software para detectar e quantificar a formação de bolhas foi necessário para a análise da equipe, explica Rufer. “Queríamos coletar muitos dados e observar muitos eletrodos diferentes, reações diferentes e bolhas diferentes, e todos pareciam ligeiramente diferentes”, diz ele. Criar um programa que pudesse lidar com diferentes materiais e iluminação e identificar e rastrear as bolhas de forma confiável foi um processo complicado, e o aprendizado de máquina foi fundamental para fazê-lo funcionar, diz ele.
Usando essa ferramenta, diz ele, eles conseguiram coletar “quantidades realmente significativas de dados sobre as bolhas em uma superfície, onde elas estão, quão grandes são, quão rápido estão crescendo, todas essas coisas diferentes”. A ferramenta agora está disponível gratuitamente para qualquer pessoa usar através do repositório GitHub.
Ao usar essa ferramenta para correlacionar as medidas visuais de formação e evolução de bolhas com medições elétricas do desempenho do eletrodo, os pesquisadores conseguiram refutar a teoria aceita e mostrar que apenas a área de contato direto é afetada. Os vídeos provaram ainda mais esse ponto, revelando novas bolhas evoluindo ativamente diretamente sob partes de uma bolha maior.
Os pesquisadores desenvolveram uma metodologia muito geral que pode ser aplicada para caracterizar e compreender o impacto das bolhas em qualquer eletrodo ou superfície do catalisador. Eles foram capazes de quantificar os efeitos da passivação da bolha em uma nova métrica de desempenho chamada BECSA (superfície eletroquimicamente ativa induzida por bolha), em oposição à ECSA (área de superfície eletroquimicamente ativa), que é usada em campo. “A métrica BECSA foi um conceito que definimos num estudo anterior, mas não tínhamos um método eficaz para estimar até este trabalho”, diz Varanasi.
O conhecimento de que a área sob as bolhas pode ser significativamente ativa inaugura um novo conjunto de regras de projeto para eletrodos de alto desempenho. Isto significa que os projetistas de eletrodos devem procurar minimizar a área de contato das bolhas, em vez de simplesmente cobrir as bolhas, o que pode ser alcançado controlando a morfologia e a química dos eletrodos. Superfícies projetadas para controlar bolhas podem não apenas melhorar a eficiência geral dos processos e, assim, reduzir o uso de energia, mas também economizar nos custos iniciais de materiais. Muitos desses eletrodos que desenvolvem gás são revestidos com catalisadores feitos de metais caros, como platina ou irídio, e as descobertas deste trabalho podem ser usadas para projetar eletrodos para reduzir o desperdício de material por bolhas que bloqueiam a reação.
Varanasi diz que “os insights deste trabalho poderiam inspirar novas arquiteturas de eletrodos que não apenas reduzam o uso de materiais preciosos, mas também melhorem o desempenho geral do eletrolisador”, ambos os quais proporcionariam benefícios ambientais em grande escala.
A equipe de pesquisa incluiu Jim James, Nathan Pruyne, Aristana Scourtas, Marcus Schwarting, Aadit Ambalkar, Ian Foster e Ben Blaiszik da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne.