使用电极生产燃料和化学产品的工业电化学过程会受到气泡形成的阻碍，这些气泡会阻塞电极表面的某些部分，从而减少可用于活性反应的面积。这种堵塞会使电极的性能降低 10% 到 25%。

但新的研究揭示了几十年来对这种干扰程度的误解。这些发现准确地显示了阻塞效应的工作原理，并可能导致设计电极表面的新方法，以最大限度地减少这些广泛使用的电化学过程中的低效率。

长期以来，人们一直认为每个气泡遮蔽的整个电极区域将被有效地灭活。但事实证明，一个小得多的区域——大约是气泡实际接触表面的区域——被阻止了它的电化学活动。新的见解可以直接导致表面图案化的新方法，以最大限度地减少接触面积并提高整体效率。

这些发现今天发表在《纳米尺度》杂志上，由麻省理工学院最近毕业的 Jack Lake 博士 '23、研究生 Simon Rufer、机械工程教授 Kripa Varanasi、研究科学家 Ben Blaiszik 以及芝加哥大学和阿贡国家实验室的其他六人发表。该团队提供了一种基于 AI 的开源软件工具，工程师和科学家现在可以使用它来自动识别和量化在给定表面上形成的气泡，作为控制电极材料特性的第一步。

放气电极通常具有促进化学反应的催化表面，用于各种工艺，包括在不使用化石燃料的情况下生产“绿色”氢气、可以减少温室气体排放的碳捕获工艺、铝生产以及用于制造广泛使用的化学产品的氯碱工艺。

这些都是非常普遍的过程。仅氯碱工艺就占美国总用电量的 2%;铝生产占全球电力的 3%;随着世界努力实现温室气体减排目标，碳捕获和氢气生产在未来几年都可能迅速增长。因此，新发现可能会产生真正的影响，瓦拉纳西说。

“我们的工作表明，对电极上气泡的接触和生长进行工程设计可以对气泡的形成方式和离开表面的方式产生巨大影响”，他说。“气泡下的区域可能非常活跃，这为高性能电极引入了一套新的设计规则，以避免气泡的有害影响。”

“过去几十年建立的更广泛的文献表明，不仅那一小块接触区域，而且气泡下的整个区域都被钝化了，”Rufer 说。这项新研究揭示了“两种模型之间的显着差异，因为它改变了您开发和设计电极的方式，以最大限度地减少这些损失。

为了测试和证明这种效应的含义，该团队制作了不同版本的电极表面，这些电极表面具有点图案，这些点以不同的大小和间距成核并捕获气泡。他们能够证明，具有宽间距点的表面促进了大气泡尺寸，但只有很小的表面接触区域，这有助于明确气泡覆盖率的预期效果和实际效果之间的差异。

Rufer 解释说，开发用于检测和量化气泡形成的软件对于团队的分析是必要的。“我们想收集大量数据，观察许多不同的电极、不同的反应和不同的气泡，它们看起来都略有不同，”他说。他说，创建一个可以处理不同材料和不同照明并可靠地识别和跟踪气泡的程序是一个棘手的过程，而机器学习是使其发挥作用的关键。

他说，使用该工具，他们能够收集“关于表面上气泡、它们的位置、它们有多大、它们生长多快，所有这些不同的东西的大量数据。该工具现在可供任何人通过 GitHub 存储库免费使用。

通过使用该工具将气泡形成和演变的视觉测量与电极性能的电测量相关联，研究人员能够反驳公认的理论，并证明只有直接接触的区域受到影响。视频进一步证明了这一点，揭示了新的气泡在更大气泡的直接下方积极进化。

研究人员开发了一种非常通用的方法，可用于表征和了解气泡对任何电极或催化剂表面的影响。他们能够用一种称为 BECSA（气泡诱导的电化学活性表面）的新性能指标来量化气泡钝化效应，而不是现场使用的 ECSA（电化学活性表面积）。“BECSA 指标是我们在早期研究中定义的一个概念，但在这项工作之前还没有有效的估计方法，”Varanasi 说。

气泡下的区域可以非常活跃，这为高性能电极引入了一套新的设计规则。这意味着电极设计人员应寻求最小化气泡接触面积，而不是简单地覆盖气泡，这可以通过控制电极的形态和化学性质来实现。为控制气泡而设计的表面不仅可以提高流程的整体效率，从而减少能源使用，还可以节省前期材料成本。许多这些气体逸出电极都涂有由铂或铱等昂贵金属制成的催化剂，这项工作的结果可用于设计电极，以减少因反应阻断气泡而浪费的材料。