Como as bolhas de gás influenciam a produção de hidrogénio
As novas descobertas são relevantes para todos os processos de eletrólise
Os electrolisadores são uma tecnologia fundamental para a transição energética. Dividem a água em hidrogénio e oxigénio, mas continuam a consumir demasiada eletricidade no processo. Um dos desafios é que o hidrogénio inicialmente dissolvido se separa sob a forma de bolhas de gás, que podem selar o elétrodo - em detrimento da eficiência. Uma equipa de investigação germano-holandesa, liderada pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), obteve agora uma visão única do interior das bolhas de hidrogénio e chegou a novas conclusões sobre os processos no eletrolisador. Os resultados foram publicados na revista científica Nature Communications.
A série de imagens mostra como duas bolhas de hidrogénio se combinam para formar uma bolha maior durante a eletrólise da água num eletrólito ácido (coalescência). Isto cria um jato líquido de eletrólito no interior da nova bolha, que se torna instável e se divide em gotículas individuais (centro). Como este processo ocorre com muita frequência, é produzido um fino jato de gotículas de eletrólito. Na imagem superior direita, são mostradas linhas de fluxo que ilustram o movimento destas gotículas dentro da bolha. As gotículas afundam-se e acumulam-se na base da bolha de hidrogénio. Aí formam pequenas poças de líquido, que voltam a molhar o elétrodo e alteram a forma da linha de contacto da bolha. Isto pode fazer com que a bolha se solte do elétrodo mais cedo (imagem da direita abaixo).
As bolhas de gás nos electrolisadores fazem com que a produção de hidrogénio consuma demasiada eletricidade, o que torna o processo muito mais caro. "Compreender a dinâmica das bolhas de gás é uma peça importante do puzzle se quisermos tornar os electrolisadores mais eficientes. Demos agora um passo significativo a este respeito, porque conseguimos analisar pela primeira vez os processos no interior das bolhas de gás", explica o Prof. Kerstin Eckert, Diretor do Instituto de Dinâmica de Fluidos do HZDR.
Descobertas gotículas em bolhas de gás - o interior torna-se visível
A nova descoberta fundamental: as bolhas de hidrogénio nem sempre são constituídas por gás puro. Podem também conter uma fina pulverização de microgotículas do eletrólito, ou seja, o líquido com que o eletrolisador é operado, por exemplo, solução de hidróxido de potássio. Este fenómeno permite uma compreensão mais profunda dos processos físico-químicos e hidrodinâmicos envolvidos na eletrólise da água.
O estudo fornece uma visão única do interior das bolhas: "Com os métodos ópticos utilizados pela nossa equipa, não conseguíamos anteriormente ver os fluxos no próprio gás. Agora podemos segui-los através das gotículas nas bolhas de gás, porque estas se movem com o gás", explica o Dr. Gerd Mutschke do HZDR. Num processo de sombreamento, a bolha é iluminada com um feixe de luz paralelo. Uma câmara é posicionada atrás dela e capta a distribuição dos valores de cinzento da bolha. As microgotículas no gás aparecem como pontos pretos. Uma secção adicional de luz laser utiliza as microgotículas como marcadores para medir o campo de fluxo no interior da bolha.
O Dr. Aleksandr Bashkatov, na altura estudante de doutoramento na equipa de Eckert, depois investigador de pós-doutoramento na Universidade de Twente num projeto conjunto holandês-alemão e agora na Universidade RWTH Aachen, e primeiro autor do estudo, observou pela primeira vez as gotículas no gás durante experiências de voo parabólico em gravidade zero. Com base nisto, a equipa realizou outras experiências na Terra e simulações para compreender o mecanismo exato de como o eletrólito entra nas bolhas de gás.
Correntes giratórias no interior e no exterior
Nos eléctrodos, muitas microbolhas minúsculas formam inicialmente uma espécie de tapete e depois fundem-se rapidamente, uma após outra, numa grande bolha. Parte da energia superficial das pequenas bolhas é convertida em energia cinética e pode deformar a interface entre o gás e o eletrólito de tal forma que o líquido do eletrólito penetra na bolha. O líquido é injetado na bolha grande a alta velocidade sob a forma de um "microjacto", onde se desintegra numa nuvem de gotículas minúsculas que rodopiam através da bolha seguindo o fluxo interno. Fisicamente, os vórtices são criados por um efeito Marangoni térmico na interface entre a bolha de gás e o eletrólito: altas densidades de corrente aquecem localmente a interface, reduzindo assim a sua tensão superficial.
"Descobrimos um fenómeno fundamental fantástico, cujos efeitos exactos na tecnologia ainda não podem ser quantificados. Mas as bolhas de gás e a forma como se fundem são um problema tecnologicamente relevante em todas as arquitecturas de electrolisadores - por isso, há muito a fazer", resume Eckert. Espera-se que o projeto de acompanhamento germano-neerlandês ALKALAMIT, financiado pelo Ministério Federal da Educação, Investigação, Tecnologia e Espaço (BMFTR) e pela Organização Neerlandesa para a Investigação Científica (NWO), que Eckert coordena do lado alemão, forneça mais informações.
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Publicação original
Aleksandr Bashkatov, Florian Bürkle, Çayan Demirkır, Wei Ding, Vatsal Sanjay, Alexander Babich, Xuegeng Yang, Gerd Mutschke, Jürgen Czarske, Detlef Lohse, Dominik Krug, Lars Büttner, Kerstin Eckert; "Electrolyte droplet spraying in H2 bubbles during water electrolysis under normal and microgravity conditions"; Nature Communications, Volume 16, 2025-5-16
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