PRODUCCION ELECTROQUIMICA DE GAS CONTROLADA POR LA FORMACION DE NANOBURBUJAS

Resumen

Introducción

La nucleación de burbujas superficiales es un fenómeno inherente a las reacciones electroquímicas generadoras de gas. Recientemente, la miniaturización de electrodos metálicos permitió el estudio de burbujas individuales de escala nanométrica en condiciones estacionarias1. Aun con una extensa cantidad de datos, la interpretación de la respuesta voltamperométrica de estos experimentos resulta desafiante, ya que la corriente en presencia de nanoburbujas es insensible al potencial aplicado y al tamaño del electrodo. Con el fin de desentrañar los fenómenos que controlan la corriente se diseñó un esquema de simulación, combinando los métodos de Monte Carlo cinético y dinámica molecular con potenciales de grano grueso. Esta metodología permite representar las reacciones electroquímicas eficientemente y alcanzar tamaños de simulación que solapan con los tamaños experimentales, logrando capturar los procesos de electrodo al punto de reproducir las principales características del voltamograma experimental.2 

Resultados

Encontramos que para electrodos mayores a un nanómetro existe un potencial a partir del cual todo el gas producido ingresa a la burbuja para luego liberarse por difusión a través de su superficie. La difusión de gas desde nanoburbujas superficiales está gobernada por el balance entre su área expuesta y su presión interna. Demostramos que al variar el tamaño y la geometría de la burbuja estas dos magnitudes se contraponen de manera casi exacta. Producto de esta compensación, las corrientes de los distintos sistemas son casi idénticas hasta electrodos de algunos cientos de nanómetros. Los electrodos sub-nanométricos no padecen de esta limitación debido a que el confinamiento desestabiliza las burbujas y la superficie del electrodo permanece descubierta de manera intermitente, desarrollando corrientes mayores.

Conclusiones

Cuando las burbujas limitan la corriente de los electrodos, la producción de un electrodo de 1 nm es comparable con la de un electrodo de 1 μm, que posee un área un millón de veces mayor. Sin embargo, existe un tamaño sub-nanométrico y potencial óptimos que permiten exponer la mayor cantidad de área sin burbuja y desarrollan una corriente 50% mayor que los electrodos más grandes.