معمای قدیمی حباب‌سازی توسط MIT حل شد تا الکترودها و الکترولایزرهای بهتری ساخته شود
یک تیم تحقیقاتی روش جدیدی برای طراحی سطوح الکترودی یافته است که می‌تواند تشکیل حباب‌ها را در فرآیندهای الکتروشیمیایی که از الکترودها برای تولید محصولات شیمیایی استفاده می‌کنند، به حداقل برساند.
تیم تحقیقاتی که اعضای آن از MIT، دانشگاه شیکاگو و آزمایشگاه ملی آرگون هستند، نشان می‌دهد که فرایند تشکیل حباب چگونه کار می‌کند و چگونه بر عملکرد الکترودها تأثیر می‌گذارد.
قبلاً تصور می‌شد که انسدادهای ایجاد شده توسط حباب‌ها می‌توانند عملکرد الکترودها را به میزان 10 تا 25 درصد کاهش دهند. تحقیقات جدید توضیحی برای سوءِتفاهم چندین دهه‌ای درباره این تداخل ارائه کرده است.
یافته‌های تیم تحقیقاتی
برای چندین سال، تصور می‌شد که کل ناحیه الکترود سایه زده شده توسط هر حباب به طور مؤثری غیر فعال شده است. با این حال، تیم تحقیقاتی متوجه شد که تنها ناحیه‌ای که حباب با سطح تماس دارد، تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
این ناحیه بسیار کوچکتر از آنچه فکر می‌شد است و داده‌های جدید می‌توانند به راه‌های جدیدی برای الگوگذاری سطوح منجر شوند تا ناحیه تماس را به حداقل برسانند و کارایی کلی الکترود را بهبود ببخشند.
به علاوه، تیم تحقیقاتی همچنین یک ابزار نرم‌افزاری با منبع باز و مبتنی بر هوش مصنوعی ارائه کرده است که سایر دانشمندان می‌توانند از آن برای «به‌طور خودکار شناسایی و اندازه‌گیری حباب‌های تشکیل شده بر روی یک سطح خاص، به عنوان اولین قدم در جهت کنترل خصوصیات مواد الکترودی» استفاده کنند.
الکترودهایی که گاز تولید می‌کنند، اغلب آنهایی که دارای سطوح کاتالیستی هستند که واکنش‌های شیمیایی را تقویت می‌کنند، در تعدادی از فرآیندها استفاده می‌شوند. این‌ها شامل تولید هیدروژن سبز، جذب کربن برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، تولید آلومینیوم و فرآیند کلر آلکالی برای تولید محصولات شیمیایی رایج هستند.
طراحی الکترودها و الکترولایزرهای بهتر
فرآیند کلر آلکالی 2 درصد از کل مصرف برق ایالات متحده را شامل می‌شود؛ تولید آلومینیوم 3 درصد از برق جهانی را به خود اختصاص می‌دهد و جذب کربن و تولید هیدروژن احتمالاً در سال‌های آینده به سرعت رشد خواهد کرد.
همانطور که جهان تلاش می‌کند تا به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای برسد، یافته‌های جدید تأثیر چشمگیری دارد، طبق گفته استاد مهندسی مکانیک MIT کریپا وارناسی.
وارناسی می‌گوید: «کار ما نشان می‌دهد که مهندسی تماس و رشد حباب‌ها بر روی الکترودها می‌تواند تأثیرات چشمگیری بر روی چگونگی تشکیل حباب‌ها و چگونگی خروج آن‌ها از سطح داشته باشد.»
«دانش اینکه ناحیه زیر حباب‌ها می‌تواند به طور قابل توجهی فعال باشد، مجموعه جدیدی از قوانین طراحی برای الکترودهای با کارایی بالا معرفی می‌کند تا از اثرات مخرب حباب‌ها جلوگیری کند.»
آزمایش یافته‌های تحقیق
برای آزمایش یافته‌های نتیجه، تیمی از محققان نسخه‌های مختلفی از سطوح الکترودی با الگوهایی از نقاط که حباب‌ها را در اندازه‌ها و فضاهای مختلف به دام می‌اندازند، ساختند.
با این مجموعه جدید از الکترودها، تیم در نشان دادن اینکه سطوحی با نقاط با فاصله زیاد، اندازه های بزرگ‌تری از حباب‌ها را ترویج می‌دهند اما تنها نواحی کوچکی از تماس سطحی دارند، موفق شده‌اند که کمک کرد تا تفاوت بین اثرات مورد انتظار و واقعی پوشش حباب را روشن کند.
دانشجوی دکتری سیمون روفر، که نیز بر روی تحقیق کار کرده است، اظهار داشت که توسعه نرم‌افزار برای تشخیص و تعیین کمیت تشکیل حباب برای کل فرآیند مهم بود.
با استفاده از نرم‌افزار، تیم توانست «مقادیر واقعاً زیادی از داده‌ها در مورد حباب‌ها بر روی یک سطح، مکان آن‌ها، اندازه آن‌ها، و سرعت رشد آن‌ها» جمع‌آوری کند.
به طور خلاصه، این به معنی این است که طراحان الکترودها اکنون باید ناحیه تماس حباب را به حداقل برسانند نه تنها پوشش حباب، که می‌تواند توسط کنترل مورفولوژی و شیمی الکترودها به دست آید.
وارناسی گفت: «افکار بلندمدت از این کار می‌تواند معماری‌های جدیدی از الکترودها را الهام بخشند که نه تنها استفاده از مواد گرانبها را کاهش دهد، بلکه عملکرد کلی الکترولایزر را نیز بهبود بخشد.»
یافته‌ها در مجله نانوسایز منتشر شده است.
چکیده
اثرات معکوس حباب‌های الکتروشیمیایی بر عملکرد الکترودهای گاززا به خوبی شناخته شده‌اند، اما مطالعات درباره درجه غیر فعال‌سازی ناشی از حباب چسبیده و چگونگی تغییر غیر فعال‌سازی در طول تحول حباب‌ها محدود است. ما غیر فعال‌سازی الکترود ناشی از تکامل اکسیژن را در حین استفاده از مهندسی سطح برای کنترل تشکیل حباب مطالعه می‌کنیم. می‌یابیم که غیر فعال‌سازی کل ناحیه پیش‌بینی شده، همانطور که در حال حاضر اعتقاد بر آن است، برآورد نادرست است که منجر به نتایج غیر واقعی می‌شود. با استفاده از یک روش مبتنی بر یادگیری ماشین برای تشخیص تصویری حباب‌ها به منظور تحلیل مقادیر زیادی از داده‌های تجربی، نشان می‌دهیم که اثرات حباب‌ها کوچک برای الکترودهای مهندسی شده سطحی است که نواحی پیش‌بینی شده حباب را ترویج می‌کنند در حالی که تماس مستقیم حباب را در حداقل نگه می‌دارند. بنابراین، ما یک روش ساده برای تخمین دقیق‌تر واقعی میزان غیر فعال‌سازی حباب‌ها، که نزدیکتر به ناحیه‌ای است که مستقیماً با حباب‌ها در تماس است، پیشنهاد می‌کنیم.
