工业电化学过程使用电极来生产燃料和化学产品，但气泡的形成会阻碍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%至25%。

但新的研究揭示了几十年来对这种干扰程度的误解。研究结果准确地显示了阻断效应是如何起作用的，并可能带来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所遮蔽的电极的整个区域都会被有效抑制。但事实证明，只有很小的区域(大致是气泡实际接触表面的区域)被阻止了电化学活性。新的见解可能直接导致新的表面图案化方法，以最大限度地减少接触面积并提高整体效率。

该研究结果今天发表在《纳米尺度》杂志上，由麻省理工学院最近毕业的博士生JackLake、研究生SimonRufer、机械工程教授KripaVaranasi、研究科学家BenBlaiszik以及芝加哥大学和阿贡国家实验室的其他六人撰写。该团队已经提供了一个开源的、基于人工智能的软件工具，工程师和科学家现在可以使用该工具自动识别和量化在给定表面上形成的气泡，这是控制电极材料特性的第一步。

气体释放电极通常具有促进化学反应的催化表面，用于各种各样的过程，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过程、铝生产以及用于制造广泛使用的化学产品的氯碱工艺。

这些工艺非常普遍。仅氯碱工艺就占美国总用电量的2%;铝生产占全球用电量的3%;随着世界努力实现温室气体减排目标，未来几年碳捕获和氢气生产都可能快速增长。因此，瓦拉纳西表示，新发现可能会带来真正的改变。

他说：“我们的工作表明，设计电极上气泡的接触和生长可以对气泡的形成和离开表面的方式产生巨大影响。气泡下方区域可能非常活跃，这一认识为高性能电极带来了一套新的设计规则，以避免气泡的有害影响。”

“过去几十年积累的大量文献表明，不仅是那一小块接触区域，气泡下方的整个区域都被钝化了，”鲁弗说。新研究揭示了“两种模型之间的显著差异，因为它改变了开发和设计电极以最大限度减少这些损失的方式。”

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，这些电极表面的点状图案可以形成并捕获不同大小和间距的气泡。他们能够证明，具有较大间距点状图案的表面可以形成较大的气泡，但表面接触面积很小，这有助于明确气泡覆盖的预期效果和实际效果之间的差异。

鲁弗解释说，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。“我们希望收集大量数据，观察大量不同的电极、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，而机器学习是让它发挥作用的关键。

他说，利用这个工具，他们能够收集“关于表面气泡的大量数据，包括气泡的位置、大小、生长速度等各种信息。”现在，任何人都可以通过GitHub存储库免费使用该工具。

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气测量关联起来，研究人员能够反驳公认的理论，并表明只有直接接触的区域受到影响。视频进一步证明了这一观点，揭示了新气泡在较大气泡的正下方积极演变。

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。他们能够用一种新的性能指标来量化气泡钝化效应，他们称之为BECSA(气泡诱导电化学活性表面)，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，但直到这项研究之前，我们还没有一种有效的方法来估计，”瓦拉纳西说。

气泡下方区域可以显著活跃这一事实为高性能电极带来了一套新的设计规则。这意味着电极设计者应努力最小化气泡接触面积，而不仅仅是气泡覆盖面积，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整个过程的效率，从而减少能源消耗，还可以节省前期材料成本。许多气体释放电极都涂有由铂或铱等昂贵金属制成的催化剂，这项研究的成果可用于设计电极，以减少因反应阻碍气泡而浪费的材料。

瓦拉纳西表示，“这项研究的见解可以启发新的电极结构，不仅可以减少贵重材料的使用，还可以提高电解器的整体性能”，这两者都将带来大规模的环境效益。

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