Bolhas ameaçam a eficiência da produção de hidrogênio verde

Uma colaboração entre pesquisadores da Universidade Cornell e da Universidade da Cidade de Hong Kong produziu uma ferramenta computacional nova que pode ajudar a superar um obstáculo surpreendentemente persistente à produção eficiente do chamado hidrogênio verde: as bolhas.

O hidrogênio verde, produzido pela divisão da água utilizando a eletricidade proveniente de fontes renováveis, oferece uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis, particularmente para alguns setores industriais, como a produção de aço e a fabricação de produtos químicos.

Os pesquisadores desenvolveram um modelo computacional que revela como as bolhas formadas durante a eletrólise da água interferem no processo e aumentam a energia necessária para produzir o hidrogênio. Os resultados, publicados em 9 de novembro na revista EES Catalysis, identificam um tamanho crítico de bolha a partir do qual as perdas de energia aumentam drasticamente, oferecendo um possível roteiro para o desenvolvimento de equipamentos mais eficientes para a produção de hidrogênio.

O estudo foi liderado por Lenan Zhang, professor assistente da Escola Sibley de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade Cornell, e Weihong Li, professor associado de engenharia mecânica da Universidade da Cidade de Hong Kong. Kaiyu Li e Muhan Zhang, das mesmas universidades, respectivamente, contribuíram igualmente para a pesquisa e são os co-primeiros autores do trabalho.

As bolhas criam obstáculos à eletrólise eficiente

Um dos desafios para a produção eficiente é que o próprio processo de eletrólise da água cria obstáculos. À medida que a eletricidade passa por um eletrolisador, bolhas de hidrogênio e oxigênio se formam nos eletrodos, onde ocorrem as reações químicas. Essas bolhas podem cobrir os locais ativos das reações, impedir que o líquido alcance a superfície dos eletrodos, além de interferir no movimento de partículas eletricamente carregadas, obrigando o sistema a consumir uma energia adicional.

O problema torna-se especialmente significativo à medida que os eletrolisadores aumentam de tamanho e operam com densidades de corrente mais elevadas para ampliar a produção de hidrogênio.

Os cientistas reconhecem há muito tempo que as bolhas reduzem a eficiência, e os pesquisadores já realizaram experimentos modificando os formatos dos eletrodos, alterando o fluxo dos líquidos e modificando as propriedades das superfícies para estimular o desprendimento das bolhas. O que estava faltando, segundo Zhang, era uma maneira confiável de saber precisamente quanta energia é desperdiçada pelas bolhas e determinar quando uma intervenção se torna necessária.

Essa dificuldade surge porque os processos físicos envolvidos abrangem diferenças enormes de escala, desde as reações eletroquímicas que ocorrem em distâncias menores que um nanômetro até as dimensões de um eletrolisador, que chegam à escala de centímetros.

“Experimentalmente, é realmente desafiador isolar o impacto das bolhas em cada escala individual”, afirmou Zhang.

Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores desenvolveram uma estrutura de modelagem matemática tridimensional capaz de simular os processos interconectados ao longo de oito ordens de grandeza em comprimento. Ao introduzir um novo método para representar as menores interações eletroquímicas, eles reduziram o esforço computacional necessário em quase 1.000 vezes, sem sacrificar a precisão numérica.

O resultado se assemelha a um gêmeo digital de um eletrolisador: um dispositivo virtual capaz de reproduzir geometrias reais de eletrodos, materiais e condições operacionais, ao mesmo tempo em que revela processos microscópicos que os experimentos convencionais não conseguem observar facilmente.

Um limite de tamanho para as perdas acentuadas de energia

Utilizando o modelo para examinar as bolhas individuais de hidrogênio que se formam em um eletrodo de um eletrolisador alcalino, os pesquisadores descobriram que a obstrução da área ativa da superfície do eletrodo era a maior fonte de perda de energia provocada pelas bolhas.

Mais importante ainda, eles identificaram um raio crítico para as bolhas. Quando uma bolha ultrapassa esse tamanho, a tensão adicional necessária para manter a eletrólise aumenta exponencialmente. Em determinadas condições modeladas, a tensão adicional total pode superar 50% de seu valor sem a presença de bolhas.

O raio crítico depende da geometria do eletrodo e da facilidade com que o líquido molha sua superfície, e não da densidade de corrente operacional.

Essa descoberta sugere uma estratégia prática de projeto: desenvolver superfícies de eletrodos de modo que as bolhas se desprendam antes de atingir o tamanho crítico.

Os pesquisadores introduziram um novo parâmetro de projeto que compara o raio crítico com o raio no qual as bolhas se desprendem. Suas simulações indicam que manter essa proporção abaixo de um poderia limitar a, no máximo, 3% a tensão adicional necessária por conta de uma bolha individual.

O estudo atual se concentra em uma única bolha, mas Zhang e Li estão ampliando o modelo para investigar as interações entre várias bolhas, que podem crescer, se unir e influenciar umas às outras. Os pesquisadores também imaginam combinar sua estrutura de modelagem com uma otimização computacional e manufatura aditiva para criar eletrodos projetados especificamente para minimizar as perdas de energia.

No final das contas, os pesquisadores esperam transformar sua estrutura computacional em um software amplamente acessível, que os engenheiros possam utilizar para avaliar os materiais, as estruturas de eletrodos e as condições operacionais.

Mais informação

Muhan Zhang et al. Double-layer-resolved full-field multiscale simulation unraveling impacts of bubbles on water electrolysis, EES Catalysis (2026). DOI: 10.1039/d6ey00288a

Fonte: Universidade Cornell

Artigo original (em inglês) publicado por Chris Dawson na Tech Xplore.