Pendant des décennies, la recherche sur l'électrolyse de l'eau a supposé que des bulles petites et rapidement évacuées étaient optimales pour l'efficacité. Cependant, une nouvelle étude publiée dans eScience remet en cause cette notion, révélant que dans des conditions de courant élevé, des bulles plus grosses formées par coalescence peuvent en réalité améliorer la réaction de dégagement d'hydrogène (HER). Les résultats, rapportés par des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de la Chine de l'Est et de l'Université des sciences et technologies du Sud, suggèrent que la coalescence des bulles agit comme un mécanisme d'auto-nettoyage et de mélange à la surface de l'électrode, améliorant considérablement les performances.
L'étude, disponible en ligne en juillet 2026 avec le DOI : 10.1016/j.esci.2025.100472, a examiné comment la composition de l'électrolyte influence le comportement des bulles et l'efficacité de la HER dans l'électrolyse de l'eau acide et alcaline. En utilisant une cellule électrolytique à trois électrodes avec une électrode à disque de platine, l'équipe a employé des mesures électrochimiques, l'imagerie à haute vitesse et des simulations numériques. Dans l'acide sulfurique, les bulles coalesçaient facilement, mais l'ajout d'acide perchlorique ou de sulfate de sodium supprimait la coalescence, conduisant à des tailles de départ de bulles plus petites. Étonnamment, des bulles plus petites n'amélioraient pas les performances. À -40 mA, l'ajout d'acide perchlorique réduisait la taille des bulles mais provoquait une baisse d'environ 20 % de l'efficacité de la HER ; à -60 mA, l'écart atteignait environ 30 %.
L'analyse mécanistique a révélé qu'une bulle venant de se détacher peut rester au-dessus de l'électrode et fusionner continuellement avec des microbulles ancrées à la surface. Ce départ tardif entraîne les microbulles à des tailles inférieures à 10 μm, libérant des sites actifs avant qu'ils ne soient bloqués. De plus, la coalescence génère des flux locaux dépassant 1 m/s, perturbant la couche interfaciale 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 soulignent que la question clé dans la gestion des bulles devrait passer de comment rendre les bulles plus petites à comment les bulles interagissent après leur formation. « La coalescence des bulles peut agir comme un processus d'auto-nettoyage et de mélange à la surface de l'électrode », ont-ils noté, expliquant qu'elle élimine les microbulles tôt, rouvre les sites de réaction et apporte de l'électrolyte frais dans les régions où le transport est généralement lent. Cela explique pourquoi des bulles plus grosses qui se détachent peuvent indiquer de meilleures performances dans des conditions de courant élevé.
Ces résultats offrent un nouveau principe de conception pour les systèmes électrochimiques produisant 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 bénéfiques entre bulles. Dans l'électrolyse alcaline de l'eau, l'électrolyse de l'eau de mer et les procédés chlore-alcali, où la coalescence est souvent inhibée, des additifs électrolytiques ou des stratégies assistées par particules pourraient 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 limitations 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.
La recherche a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le programme pilote de Shanghai pour la recherche fondamentale, le projet spécial pour les objectifs de pic des émissions de dioxyde de carbone et de neutralité carbone de la Commission municipale des sciences et technologies de Shanghai, et la Fondation de recherche fondamentale et appliquée du Guangdong.
