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2021-03-26Controlar la formación de burbujas en los electrodos

MIT |Un estudio revela que la humectabilidad de las superficies porosas de los electrodos es clave para crear sistemas eficaces de separación de agua o captura de carbono.

Utilizar la electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno puede ser una forma eficaz de producir combustible de hidrógeno de combustión limpia, con más ventajas si esa electricidad se genera a partir de fuentes de energía renovables. Pero a medida que mejoran las tecnologías de separación de agua, que suelen utilizar materiales de electrodos porosos para proporcionar mayores áreas de superficie para las reacciones electroquímicas, su eficacia suele verse limitada por la formación de burbujas que pueden bloquear u obstruir las superficies reactivas.

Ahora, un estudio del MIT ha analizado y cuantificado por primera vez cómo se forman las burbujas en estos electrodos porosos. Los investigadores han descubierto que hay tres maneras diferentes de que se formen burbujas en la superficie y de que salgan de ella, y que éstas pueden controlarse con precisión ajustando la composición y el tratamiento de la superficie de los electrodos.

Los resultados podrían aplicarse también a otras reacciones electroquímicas, como las utilizadas para la conversión del dióxido de carbono capturado de las emisiones de las centrales eléctricas o del aire para formar combustible o materias primas químicas. El trabajo se describe hoy en la revista Joule, en un artículo elaborado por el becario visitante del MIT Ryuichi Iwata, el estudiante de posgrado Lenan Zhang, los profesores Evelyn Wang y Betar Gallant, y otras tres personas.

"La separación del agua es básicamente una forma de generar hidrógeno a partir de la electricidad, y puede utilizarse para mitigar las fluctuaciones del suministro de energía procedente de fuentes renovables", afirma Iwata, autor principal del artículo. Esa aplicación fue lo que motivó al equipo a estudiar las limitaciones de ese proceso y cómo podrían controlarse.

Como la reacción produce constantemente gas dentro de un medio líquido, el gas forma burbujas que pueden bloquear temporalmente la superficie del electrodo activo. "El control de las burbujas es la clave para conseguir un alto rendimiento del sistema", afirma Iwata. Pero se habían realizado pocos estudios sobre los tipos de electrodos porosos que se están estudiando cada vez más para su uso en este tipo de sistemas.

El equipo identificó tres formas diferentes en las que las burbujas pueden formarse y desprenderse de la superficie. En una de ellas, denominada crecimiento y salida internos, las burbujas son diminutas en relación con el tamaño de los poros del electrodo. En ese caso, las burbujas flotan libremente y la superficie permanece relativamente despejada, favoreciendo el proceso de reacción.

En otro régimen, las burbujas son más grandes que los poros, por lo que tienden a atascarse y a obstruir las aberturas, lo que restringe considerablemente la reacción. Y en un tercer régimen intermedio, denominado "wicking", las burbujas son de tamaño medio y siguen estando parcialmente bloqueadas, pero consiguen filtrarse por acción capilar.

El equipo descubrió que la variable crucial para determinar cuál de estos regímenes tiene lugar es la humectabilidad de la superficie porosa. Esta cualidad, que determina si el agua se distribuye uniformemente por la superficie o se acumula en gotas, puede controlarse ajustando el recubrimiento aplicado a la superficie. El equipo utilizó un polímero llamado PTFE, y cuanto más se pulverizaba sobre la superficie del electrodo, más hidrofóbico se volvía. También se volvió más resistente al bloqueo por parte de las burbujas más grandes.


Nuevos experimentos han demostrado que la humectabilidad de la superficie marca una gran diferencia en el modo en que se forman y abandonan las burbujas. A la izquierda, una superficie porosa con mayor humectabilidad da lugar a pequeñas burbujas que salen rápidamente, mientras que una humectabilidad menor, a la derecha, da lugar a burbujas más grandes que obstruyen los poros del material y reducen su eficacia.


La transición es bastante abrupta, dice Zhang, de modo que incluso un pequeño cambio en la humectabilidad, provocado por un pequeño cambio en la cobertura de la superficie, puede alterar drásticamente el rendimiento del sistema. Gracias a este hallazgo, dice, "hemos añadido un nuevo parámetro de diseño, que es la relación entre el diámetro de salida de la burbuja [el tamaño que alcanza antes de separarse de la superficie] y el tamaño de los poros. Es un nuevo indicador de la eficacia de un electrodo poroso".

El tamaño de los poros puede controlarse mediante la forma en que se fabrican los electrodos porosos, y la humectabilidad puede controlarse con precisión mediante el recubrimiento añadido. Así, "manipulando estos dos efectos, en el futuro podremos controlar con precisión estos parámetros de diseño para garantizar que el medio poroso funcione en las condiciones óptimas", afirma Zhang. De este modo, los diseñadores de materiales dispondrán de un conjunto de parámetros que les ayudarán a orientar la selección de los compuestos químicos, los métodos de fabricación y los tratamientos superficiales o los revestimientos con el fin de proporcionar el mejor rendimiento para una aplicación específica.

Aunque los experimentos del grupo se han centrado en el proceso de separación del agua, los resultados deberían ser aplicables a prácticamente cualquier reacción electroquímica de evolución de gases, según el equipo, incluidas las reacciones utilizadas para convertir electroquímicamente el dióxido de carbono capturado, por ejemplo, de las emisiones de las centrales eléctricas.

Gallant, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, afirma que "lo realmente emocionante es que, a medida que la tecnología de la división del agua sigue desarrollándose, el enfoque del campo se está ampliando más allá del diseño de materiales catalizadores a la ingeniería del transporte de masas, hasta el punto de que esta tecnología está preparada para poder escalar". Aunque todavía no está en la fase de comercialización en masa, dice, "se está llegando a ella. Y ahora que estamos empezando a superar realmente los límites de las tasas de evolución del gas con buenos catalizadores, ya no podemos ignorar las burbujas que se desarrollan, lo cual es una buena señal."

En el equipo del MIT también participaron Kyle Wilke, Shuai Gong y Mingfu He. El trabajo contó con el apoyo de los Laboratorios Centrales de I+D de Toyota, la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART), el Fondo Conjunto de Ciencia y Tecnología de Estados Unidos y Egipto, y la Fundación de Ciencias Naturales de China.

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