Производство "зелёного" водорода - перспективная альтернатива ископаемому топливу, особенно для металлургии и химической промышленности. Водород получают электролизом воды, используя электричество из возобновляемых источников. Однако процессу мешают пузырьки, которые образуются на электродах и увеличивают расход энергии.

Исследователи из Корнеллского университета (США) и Городского университета Гонконга разработали трёхмерную математическую модель, которая описывает процессы в электролизёре (устройстве для разложения воды электрическим током) на масштабах от нанометров до сантиметров. Работа опубликована 9 ноября в журнале EES Catalysis. Руководили исследованием Лэнань Чжан (Корнелл) и Вэйхун Ли (Гонконг), а Мухань Чжан и Кайюй Ли внесли равный вклад как первые авторы.

Пузырьки водорода и кислорода, появляясь на электродах, закрывают активные участки, мешают жидкости достигать поверхности и препятствуют движению заряженных частиц. Это заставляет систему тратить дополнительную энергию. Проблема усиливается с ростом размеров электролизёров и плотности тока.

Чтобы разобраться, учёные применили новый метод расчёта мельчайших электрохимических взаимодействий, что почти в 1000 раз снизило вычислительную нагрузку без потери точности. Получилась "цифровая копия" электролизёра - виртуальное устройство, воспроизводящее реальные условия и показывающее то, что трудно увидеть в эксперименте.

Моделирование одиночного пузырька в щелочном электролизёре показало: основной источник потерь - перекрытие активной площади электрода. Обнаружен критический радиус пузырька: как только пузырёк превышает этот размер, дополнительное напряжение для поддержания электролиза растёт экспоненциально (то есть всё быстрее с каждым шагом). В некоторых смоделированных условиях добавка к напряжению превышала 50% от значения без пузырьков. Критический радиус зависит от геометрии электрода и смачиваемости его поверхности жидкостью, а не от плотности тока.

Отсюда практический вывод: нужно проектировать поверхность электрода так, чтобы пузырьки отрывались раньше, чем достигнут критического размера. Исследователи ввели параметр - отношение радиуса отрыва к критическому радиусу. Симуляции показывают, что если это отношение меньше единицы, дополнительное напряжение из-за одного пузырька не превысит 3%.

Пока модель описывает один пузырёк, но авторы расширяют её на взаимодействие множества пузырьков, которые могут сливаться и влиять друг на друга. В планах - объединить модель с оптимизацией и аддитивными технологиями (3D-печатью) для создания электродов с минимальными потерями, а также превратить её в доступное программное обеспечение для инженеров.

Важно понимать: работа демонстрирует корреляцию между размером пузырька и потерями энергии в модели, но не доказывает причинно-следственную связь в реальных устройствах. Это статистическая связь, которая сама по себе не подтверждает, что именно пузырьки вызывают рост энергозатрат. Однако модель даёт количественную основу для дальнейших экспериментов и разработки более эффективного оборудования.

Источник: Tech Xplore