KNOXVILLE, TN, 31 juillet 2026 /24-7PressRelease/ -- Pendant des décennies, la recherche sur l'électrolyse de l'eau a considéré les bulles petites et à départ rapide comme l'idéal. Une nouvelle étude remet en question cette hypothèse. Les chercheurs ont découvert que, lors d'un fonctionnement à courant élevé, les bulles qui fusionnent et quittent l'électrode plus tard peuvent améliorer la réaction de dégagement d'hydrogène (HER). Ces bulles de départ plus grandes ne sont pas utiles simplement parce qu'elles sont grandes ; elles sont utiles parce que leur coalescence élimine les minuscules bulles collées à l'électrode et agite le liquide voisin. En ajustant la composition de l'électrolyte, l'équipe a montré que les systèmes sujets à la coalescence atteignaient une efficacité HER jusqu'à 30 % plus élevée que les systèmes à coalescence inhibée, offrant une nouvelle façon de repenser les pertes d'énergie dans la production d'hydrogène.

L'hydrogène vert est censé aider à décarboner la fabrication de produits chimiques, les transports, la sidérurgie et d'autres industries difficiles à électrifier. Pourtant, l'efficacité de l'électrolyse reste limitée par les bulles générées sur les surfaces des électrodes. Ces bulles peuvent recouvrir les sites catalytiques, ralentir le transport des ions et affaiblir le transfert de chaleur et de masse près de l'électrode. Les stratégies conventionnelles se concentrent donc sur la manière de détacher les bulles plus tôt et à des tailles plus petites grâce à la conception de surface, au contrôle de la mouillabilité ou à des champs externes. Mais à des densités de courant élevées, les bulles entrent fréquemment en collision et les interactions bulle-bulle commencent à dominer le processus. Sur la base de ces défis, il est nécessaire d'étudier comment la coalescence des bulles modifie le transport interfacial et l'efficacité de l'électrolyse.

Une équipe de recherche de l'Université des sciences et technologies de la Chine de l'Est et de l'Université des sciences et technologies du Sud a rapporté (DOI : 10.1016/j.esci.2025.100472) les résultats dans eScience, avec l'article disponible en ligne en juillet 2026. L'étude a examiné comment la composition de l'électrolyte contrôle la coalescence des bulles, le départ des bulles et les performances de la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) dans l'électrolyse de l'eau en milieu acide et alcalin. Les résultats montrent que favoriser, plutôt que supprimer, la coalescence des bulles peut améliorer l'efficacité en remodelant la façon dont les bulles quittent la surface de l'électrode.

L'équipe a utilisé une cellule électrolytique à trois électrodes avec une électrode à disque de platine, des mesures électrochimiques, l'imagerie à haute vitesse et des simulations numériques. Dans l'acide sulfurique, les bulles coalesçaient facilement ; lorsque de l'acide perchlorique ou du sulfate de sodium était ajouté, la coalescence était supprimée et la taille de départ des bulles devenait plus petite. Étonnamment, les bulles plus petites n'ont pas amélioré les performances. À -40 mA, l'ajout d'acide perchlorique a réduit la taille des bulles mais a provoqué une baisse d'environ 20 % de l'efficacité HER. À -60 mA, l'écart de performance a atteint environ 30 %. L'analyse mécanistique a montré pourquoi : une bulle venant de se détacher peut rester au-dessus de l'électrode et fusionner continuellement avec les microbulles ancrées à la surface. Ce départ tardif élimine les microbulles à des tailles inférieures à 10 μm, libérant les sites actifs avant qu'ils ne soient bloqués. En même temps, la coalescence génère des flux locaux supérieurs à 1 m/s, brisant la couche interfaciale normalement stagnante et améliorant le transfert de chaleur et de masse. En milieu alcalin, où la coalescence est naturellement supprimée, l'ajout de microparticules de polystyrène (PS) hydrophobes a favorisé la coalescence et amélioré l'efficacité de 2 à 6 %.

Les auteurs ont déclaré que ces travaux déplacent la question clé de la gestion des bulles. Au lieu de se demander seulement comment rendre les bulles plus petites, ils ont déclaré que la conception future de l'électrolyse devrait se demander comment les bulles interagissent après leur formation. La coalescence des bulles, ont-ils dit, peut agir comme un processus autonome de nettoyage et de mélange à la surface de l'électrode : elle élimine les microbulles tôt, rouvre les sites de réaction et apporte un électrolyte frais dans une région où le transport est généralement lent. Cela aide à expliquer pourquoi des bulles de départ plus grandes peuvent signaler de meilleures performances, et non pires, dans des conditions de courant élevé.

Ces résultats suggèrent un nouveau principe de conception pour les systèmes électrochimiques dégageant des gaz. Dans les systèmes acides, où les bulles fusionnent déjà facilement, les électrodes ou les champs d'écoulement pourraient être conçus pour augmenter les collisions utiles de bulles. Dans l'électrolyse alcaline de l'eau, l'électrolyse de l'eau de mer et les procédés chlor-alcali, où la coalescence des bulles est souvent inhibée, des additifs électrolytiques ou des stratégies assistées par particules peuvent aider à restaurer une fusion bénéfique. L'étude pointe également vers des applications plus larges dans l'électrolyse industrielle, où l'élimination des bulles en surface et le transport interfacial restent des limites majeures. En traitant la coalescence comme un outil contrôlable, les futurs dispositifs pourraient réduire les pertes d'énergie sans dépendre uniquement des améliorations du catalyseur ou de la surface de l'électrode.

Références
DOI
10.1016/j.esci.2025.100472

URL de la source originale
https://doi.org/10.1016/j.esci.2025.100472

Informations sur le financement
Fondation nationale des sciences naturelles de Chine ; Programme pilote de Shanghai pour la recherche fondamentale ; Projet spécial pour les pics d'émissions de dioxyde de carbone et la neutralité carbone de la Commission municipale des sciences et technologies de Shanghai ; Fondation de recherche fondamentale et appliquée du Guangdong.

À propos de eScience
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