El hallazgo de las burbujas podría mejorar el diseño de electrodos y electrolizadores

Pero una nueva investigación revela un malentendido de décadas sobre el alcance de esa interferencia. Los hallazgos muestran exactamente cómo funciona el efecto de bloqueo y podrían conducir a nuevas formas de diseñar las superficies de los electrodos para minimizar las ineficiencias en estos procesos electroquímicos tan utilizados.

Durante mucho tiempo se ha supuesto que toda el área del electrodo sombreada por cada burbuja quedaría efectivamente inactivada. Pero resulta que un área mucho más pequeña -aproximadamente la zona en la que la burbuja entra realmente en contacto con la superficie- queda bloqueada de su actividad electroquímica. Los nuevos conocimientos podrían conducir directamente a nuevas formas de modelar las superficies para minimizar el área de contacto y mejorar la eficacia global.

Los resultados se publican en la revista Nanoscale, en un artículo escrito por Jack Lake, recién licenciado en el MIT y doctor en Filosofía '23; Simon Rufer, estudiante de posgrado; Kripa Varanasi, catedrático de Ingeniería Mecánica; Ben Blaiszik, investigador científico; y otras seis personas de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne. El equipo ha puesto a disposición de ingenieros y científicos una herramienta de software de código abierto basada en inteligencia artificial para reconocer y cuantificar automáticamente las burbujas formadas en una superficie determinada, como primer paso para controlar las propiedades del material del electrodo.

Los electrodos que evolucionan con el gas, a menudo con superficies catalíticas que favorecen las reacciones químicas, se utilizan en una gran variedad de procesos, como la producción de hidrógeno "verde" sin utilizar combustibles fósiles, los procesos de captura de carbono que pueden reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, la producción de aluminio y el proceso cloroalcalino que se emplea para fabricar productos químicos de uso muy extendido.

Se trata de procesos muy extendidos. Sólo el proceso cloroalcalino representa el 2% de toda la electricidad utilizada en EE.UU.; la producción de aluminio representa el 3% de la electricidad mundial; y es probable que tanto la captura de carbono como la producción de hidrógeno crezcan rápidamente en los próximos años a medida que el mundo se esfuerce por cumplir los objetivos de reducción de gases de efecto invernadero. Así pues, los nuevos descubrimientos podrían marcar una diferencia real, afirma Varanasi.

"Nuestro trabajo demuestra que la ingeniería del contacto y el crecimiento de las burbujas en los electrodos puede tener efectos espectaculares" sobre cómo se forman las burbujas y cómo abandonan la superficie, afirma. "El conocimiento de que el área bajo las burbujas puede ser significativamente activa da paso a un nuevo conjunto de reglas de diseño de electrodos de alto rendimiento para evitar los efectos deletéreos de las burbujas".

"La literatura más amplia construida en las últimas dos décadas ha sugerido que no sólo esa pequeña área de contacto, sino toda el área bajo la burbuja está pasivada", dice Rufer. El nuevo estudio revela "una diferencia significativa entre los dos modelos porque cambia la forma de desarrollar y diseñar un electrodo para minimizar estas pérdidas."

Para probar y demostrar las implicaciones de este efecto, el equipo produjo diferentes versiones de superficies de electrodos con patrones de puntos que nucleaban y atrapaban burbujas a diferentes tamaños y espaciamientos. Pudieron demostrar que las superficies con puntos muy espaciados promovían burbujas de gran tamaño pero sólo áreas minúsculas de contacto superficial, lo que ayudó a dejar clara la diferencia entre los efectos esperados y reales de la cobertura de burbujas.

El desarrollo del software para detectar y cuantificar la formación de burbujas fue necesario para el análisis del equipo, explica Rufer. "Queríamos recopilar muchos datos y observar muchos electrodos diferentes, reacciones diferentes y burbujas diferentes, y todas tienen un aspecto ligeramente distinto", explica. Crear un programa capaz de trabajar con distintos materiales e iluminación e identificar y rastrear las burbujas de forma fiable fue un proceso complicado, y el aprendizaje automático fue clave para que funcionara, explica.

Con esa herramienta, explica, pudieron recopilar "cantidades realmente significativas de datos sobre las burbujas en una superficie, dónde están, qué tamaño tienen, a qué velocidad crecen, todas estas cosas". La herramienta está ahora disponible gratuitamente para que cualquiera pueda utilizarla a través del repositorio de GitHub.

Al utilizar esa herramienta para correlacionar las medidas visuales de la formación y evolución de las burbujas con las medidas eléctricas del rendimiento del electrodo, los investigadores pudieron refutar la teoría aceptada y demostrar que sólo se ve afectada la zona de contacto directo. Los vídeos demostraron aún más este punto, revelando nuevas burbujas evolucionando activamente directamente bajo partes de una burbuja mayor.

Los investigadores desarrollaron una metodología muy general que puede aplicarse para caracterizar y comprender el impacto de las burbujas en cualquier superficie de electrodo o catalizador. Pudieron cuantificar los efectos de pasivación de las burbujas en una nueva métrica de rendimiento que denominan BECSA (superficie electroquímicamente activa inducida por burbujas), a diferencia de la ECSA (superficie electroquímicamente activa), que se utiliza en este campo. "La métrica BECSA era un concepto que definimos en un estudio anterior, pero no disponíamos de un método eficaz para estimarlo hasta este trabajo", dice Varanasi.

El conocimiento de que el área bajo las burbujas puede ser significativamente activa da paso a un nuevo conjunto de reglas de diseño para electrodos de alto rendimiento. Esto significa que los diseñadores de electrodos deben tratar de minimizar el área de contacto de las burbujas en lugar de simplemente su cobertura, lo que puede lograrse controlando la morfología y la química de los electrodos. Las superficies diseñadas para controlar las burbujas no sólo pueden mejorar la eficiencia global de los procesos y reducir así el consumo de energía, sino que también pueden ahorrar en costes iniciales de materiales. Muchos de estos electrodos que evolucionan con gas están recubiertos de catalizadores fabricados con metales caros como el platino o el iridio, y los resultados de este trabajo pueden utilizarse para diseñar electrodos que reduzcan el material desperdiciado por las burbujas que bloquean la reacción.

Varanasi afirma que "las conclusiones de este trabajo podrían inspirar nuevas arquitecturas de electrodos que no sólo redujeran el uso de materiales preciosos, sino que también mejoraran el rendimiento general del electrolizador", lo que supondría beneficios medioambientales a gran escala.

El equipo de investigación estaba formado por Jim James, Nathan Pruyne, Aristana Scourtas, Marcus Schwarting, Aadit Ambalkar, Ian Foster y Ben Blaiszik, de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne. El trabajo ha contado con el apoyo del Departamento de Energía de EE.UU. en el marco del programa ARPA-E.