Performance Enhancement of Electrocatalytic Hydrogen Evolution through Coalescence-Induced Bubble Dynamics

化学 聚结(物理) 浮力 电极 气泡 电解 电解水 化学物理 阴极保护 马朗戈尼效应 电化学 电解质 机械 对流 有机化学 物理化学 天体生物学 物理
作者
Aleksandr Bashkatov,Sunghak Park,Çayan Demirkır,Jeffery A. Wood,Marc T. M. Koper,Detlef Lohse,Dominik Krug
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (14): 10177-10186 被引量:42
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02018
摘要

The evolution of electrogenerated gas bubbles during water electrolysis can significantly hamper the overall process efficiency. Promoting the departure of electrochemically generated bubbles during (water) electrolysis is therefore beneficial. For a single bubble, a departure from the electrode surface occurs when buoyancy wins over the downward-acting forces (e.g., contact, Marangoni, and electric forces). In this work, the dynamics of a pair of H2 bubbles produced during the hydrogen evolution reaction in 0.5 M H2SO4 using a dual platinum microelectrode system is systematically studied by varying the electrode distance and the cathodic potential. By combining high-speed imaging and electrochemical analysis, we demonstrate the importance of bubble–bubble interactions in the departure process. We show that bubble coalescence may lead to substantially earlier bubble departure as compared to buoyancy effects alone, resulting in considerably higher reaction rates at a constant potential. However, due to continued mass input and conservation of momentum, repeated coalescence events with bubbles close to the electrode may drive departed bubbles back to the surface beyond a critical current, which increases with the electrode spacing. The latter leads to the resumption of bubble growth near the electrode surface, followed by buoyancy-driven departure. While less favorable at small electrode spacing, this configuration proves to be very beneficial at larger separations, increasing the mean current up to 2.4 times compared to a single electrode under the conditions explored in this study.
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