Durante décadas, la investigación en electrólisis del agua ha asumido que las burbujas pequeñas y de rápida salida son óptimas para la eficiencia. Sin embargo, un nuevo estudio publicado en eScience desafía esta noción, revelando que bajo condiciones de alta corriente, las burbujas más grandes formadas por coalescencia pueden realmente mejorar la reacción de evolución de hidrógeno (HER). Los hallazgos, reportados por investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental y la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, sugieren que la coalescencia de burbujas actúa como un mecanismo de autolimpieza y mezcla en la superficie del electrodo, mejorando significativamente el rendimiento.
El estudio, disponible en línea en julio de 2026 con DOI: 10.1016/j.esci.2025.100472, investigó cómo la composición del electrolito influye en el comportamiento de las burbujas y la eficiencia de la HER en la electrólisis del agua tanto ácida como alcalina. Utilizando una celda electrolítica de tres electrodos con un electrodo de disco de platino, el equipo empleó mediciones electroquímicas, imágenes de alta velocidad y simulaciones numéricas. En ácido sulfúrico, las burbujas se fusionaban fácilmente, pero la adición de ácido perclórico o sulfato de sodio suprimió la coalescencia, lo que llevó a tamaños de desprendimiento de burbujas más pequeños. Sorprendentemente, las burbujas más pequeñas no mejoraron el rendimiento. A -40 mA, la adición de ácido perclórico redujo el tamaño de las burbujas pero causó una caída de aproximadamente el 20% en la eficiencia de la HER; a -60 mA, la brecha alcanzó alrededor del 30%.
El análisis mecanicista reveló que una burbuja recién desprendida puede permanecer sobre el electrodo y fusionarse continuamente con microburbujas ancladas en la superficie. Este desprendimiento tardío arrastra las microburbujas a tamaños inferiores a 10 μm, liberando sitios activos antes de que se bloqueen. Además, la coalescencia genera flujos locales que superan 1 m/s, interrumpiendo la capa interfacial estancada y mejorando la transferencia de calor y masa. En medios alcalinos, donde la coalescencia se suprime naturalmente, la adición de micropartículas de poliestireno (PS) hidrofóbico promovió la coalescencia y mejoró la eficiencia en un 2-6%.
Los autores enfatizan que la pregunta clave en la gestión de burbujas debería cambiar de cómo hacer las burbujas más pequeñas a cómo interactúan las burbujas después de su formación. "La coalescencia de burbujas puede actuar como un proceso de limpieza y mezcla autodirigido en la superficie del electrodo", señalaron, explicando que elimina las microburbujas tempranamente, reabre los sitios de reacción y trae electrolito fresco a regiones donde el transporte suele ser lento. Esto explica por qué burbujas de desprendimiento más grandes pueden indicar un mejor rendimiento bajo condiciones de alta corriente.
Estos hallazgos ofrecen un nuevo principio de diseño para sistemas electroquímicos que generan gases. En sistemas ácidos, donde las burbujas ya se fusionan fácilmente, los electrodos o campos de flujo podrían diseñarse para aumentar las colisiones beneficiosas de burbujas. En la electrólisis del agua alcalina, la electrólisis del agua de mar y los procesos cloro-álcali, donde la coalescencia a menudo se inhibe, aditivos electrolíticos o estrategias asistidas por partículas pueden ayudar a restaurar la fusión beneficiosa. El estudio también señala aplicaciones más amplias en la electrólisis industrial, donde la eliminación de burbujas superficiales y el transporte interfacial siguen siendo limitaciones importantes. Al tratar la coalescencia como una herramienta controlable, los futuros dispositivos pueden reducir la pérdida de energía sin depender únicamente de mejoras en el catalizador o la superficie del electrodo.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa Piloto de Shanghai para la Investigación Básica, el Proyecto Especial para el Pico de Emisiones de Dióxido de Carbono y la Neutralidad de Carbono de la Comisión Municipal de Ciencia y Tecnología de Shanghai, y la Fundación de Investigación Básica y Aplicada de Guangdong.
