Zie Nieuws

Voorkom ‘bubble trouble’

Het is bekend dat bellen invloed hebben op de energie en de massaoverdracht in elektroden waaraan gas ontwikkelt. Veel elektrochemische reacties produceren gas dat kan leiden tot het ontstaan van bellen op de plaats van de reactie. Die bellen kunnen de efficiëntie van de reactie verminderen, wat leidt tot energieverlies. David Fernandez Rivas, en zijn collega’s van de Universiteit Twente en New York University, publiceerden in het tijdschrift Joule verschillende strategieën om de verliezen te beperken of zelfs diezelfde bellen te exploiteren.

In het artikel legt Fernandez Rivas uit dat bubbels worden gevormd in tal van grote industriële elektrosyntheseprocessen, zoals de reductie van CO2 om organische brandstoffen te produceren. Dat is een probleem in de huidige trend van elektrificatie van de chemische industrie, omdat bellen de prestaties van elektroden verminderen. "Meer kennis creëeren over de relatie tussen bellen en elektrochemie zal leiden tot het ontwerpen van richtlijnen voor beter werkende elektrochemische reactoren, die zeer nodig zijn in de chemische industrie".

Bubbelvorming

Fernandez Rivas beschrijft de huidige kennis over de vorming van luchtbellen: "Bellen vormen zich meestal op scheuren en spleten of andere microscopische hobbels in het elektrodeoppervlak." (zie figuur 1). Een voorbeeld van zo'n oppervlak dat geschikt is voor de vorming van luchtbellen zijn de randen van een glas. Als het glas gevuld is met cola - of een andere koolzuurhoudende vloeistof - vind je een mooie 'trein' van belletjes die gevormd worden uit het opgeloste koolstofdioxide.

 

Figuur 1 De vorming van belletjes op het oppervlak van een elektrode

De bellen op de elektroden kunnen echter de gewenste reactie tegenhouden, waardoor de efficiëntie van de reactie wordt verminderd. "Een beter begrip van de vorming van bellen kan ons helpen de vorming ervan te controleren en zo de efficiëntie van de reacties te verhogen", legt Fernandez Rivas uit.

Verhoging van de efficiëntie

Er zijn verschillende technieken beschikbaar om bubbels te verwijderen of te verminderen. Eén daarvan is in de afgelopen tien jaar in Twente. Daarbij wordt gebruik gemaakt van microscopische defecten of putjes die aan het oppervlak van de elektrode worden gemaakt. De bellen vormen zich bij voorkeur in de hydrofobe put (zie figuur 2). Deze techniek maakt het mogelijk om luchtbellen op een afstand van de actieve oppervlakten van electroden te vormen.

 

Figuur 2 Evolutie van de luchtbellen in een hydrofobe put

Door de bellen op een kleine afstand van de actieve oppervlakken te vormen gebeuren er drie dingen. Ten eerste duurt het langer om elke nieuwe luchtbel in een reeks te laten groeien. Dan verhoogt een continue gasproductie de lokale gasoververzadiging, waardoor de groeisnelheid van de belletjes juist toeneemt. Uiteindelijk stijgt de groeisnelheid naar een constante groeisnelheid. De vorming van bellen op een afstand van de elektroden kan worden gebruikt om het energieverlies door bellen in elektrochemische apparaten, zoals brandstofcellen, te minimaliseren.

Meer informatie over bellen

Het artikel, Influence of Bubbles on the Energy Conversion Efficiency of Electrochemical Reactors, is geschreven door onderzoekers van de Mesoscale Chemical Systems Group van de Universiteit Twente en New York University. Hun werk werd ondersteund door het Netherlands Centre for Multiscale Catalytic Energy Conversion (MCEC), een NWO Gravitatieprogramma dat wordt gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap van de Nederlandse overheid, en door de Zwitserse National Science Foundation. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Joule.

Informatie over het artikel

Titel: Influence of Bubbles on the Energy Conversion Efficiency of Electrochemical Reactors

Auteurs: Andrea Angulo (New York University), Peter van der Linde, Han Gardeniers, Miguel Modestino (New York University), David Fernández Rivas

Tijdschrift: Joule

DOI: 10.1016/j.joule.2020.01.005 

K.W. Wesselink MSc (Kees)
Communicatiemedewerker (aanwezig ma-vr)