Por décadas, a pesquisa em eletrólise da água assumiu que bolhas pequenas e de rápida partida são ideais para a eficiência. No entanto, um novo estudo publicado na eScience desafia essa noção, revelando que, sob condições de alta corrente, bolhas maiores formadas por coalescência podem, na verdade, melhorar a reação de evolução de hidrogênio (HER). As descobertas, relatadas por pesquisadores da East China University of Science and Technology e da Southern University of Science and Technology, sugerem que a coalescência de bolhas atua como um mecanismo de autolimpeza e mistura na superfície do eletrodo, melhorando significativamente o desempenho.
O estudo, disponível online em julho de 2026 com DOI: 10.1016/j.esci.2025.100472, investigou como a composição do eletrólito influencia o comportamento das bolhas e a eficiência da HER em eletrólise de água ácida e alcalina. Usando uma célula eletrolítica de três eletrodos com um eletrodo de disco de platina, a equipe empregou medições eletroquímicas, imagem de alta velocidade e simulações numéricas. Em ácido sulfúrico, as bolhas coalesciam prontamente, mas a adição de ácido perclórico ou sulfato de sódio suprimia a coalescência, levando a tamanhos de desprendimento de bolhas menores. Surpreendentemente, bolhas menores não melhoraram o desempenho. A −40 mA, a adição de ácido perclórico reduziu o tamanho das bolhas, mas causou uma queda de aproximadamente 20% na eficiência da HER; a −60 mA, a diferença atingiu cerca de 30%.
A análise mecanística revelou que uma bolha recém-desprendida pode pairar acima do eletrodo e continuamente se fundir com microbolhas ancoradas na superfície. Esse desprendimento tardio remove microbolhas em tamanhos abaixo de 10 μm, liberando sítios ativos antes que fiquem bloqueados. Além disso, a coalescência gera fluxos locais que excedem 1 m/s, interrompendo a camada interfacial estagnada e melhorando a transferência de calor e massa. Em meios alcalinos, onde a coalescência é naturalmente suprimida, a adição de micropartículas hidrofóbicas de poliestireno (PS) promoveu a coalescência e melhorou a eficiência em 2–6%.
Os autores enfatizam que a questão chave no gerenciamento de bolhas deve mudar de como tornar as bolhas menores para como elas interagem após a formação. "A coalescência de bolhas pode atuar como um processo de limpeza e mistura autodirigido na superfície do eletrodo", observaram, explicando que ela remove microbolhas precocemente, reabre sítios de reação e traz eletrólito fresco para regiões onde o transporte é geralmente lento. Isso explica por que bolhas maiores que se desprendem podem sinalizar melhor desempenho sob condições de alta corrente.
Essas descobertas oferecem um novo princípio de design para sistemas eletroquímicos que evoluem gás. Em sistemas ácidos, onde as bolhas já se fundem facilmente, eletrodos ou campos de fluxo poderiam ser projetados para aumentar colisões benéficas de bolhas. Em eletrólise de água alcalina, eletrólise de água do mar e processos de cloro-álcali, onde a coalescência é frequentemente inibida, aditivos de eletrólito ou estratégias assistidas por partículas podem ajudar a restaurar a fusão benéfica. O estudo também aponta para aplicações mais amplas em eletrólise industrial, onde a remoção de bolhas superficiais e o transporte interfacial continuam sendo grandes limitações. Ao tratar a coalescência como uma ferramenta controlável, futuros dispositivos podem reduzir a perda de energia sem depender apenas de melhorias no catalisador ou na superfície do eletrodo.
A pesquisa foi financiada pela National Natural Science Foundation of China, pelo Shanghai Pilot Program for Basic Research, pelo Special Project for Peak Carbon Dioxide Emissions-Carbon Neutrality da Shanghai Municipal Science and Technology Commission e pela Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation.
