Efektivní výroba vodíku s ultrazvukem

Vodík je alternativní palivo, které je výhodnější díky své šetrnosti k životnímu prostředí a nulovým emisím oxidu uhličitého. Konvenční výroba vodíku však není efektivní pro ekonomickou hromadnou výrobu. Ultrazvukem podporovaná elektrolýza vody a alkalických vodních roztoků vede k vyšším výtěžkům vodíku, reakční rychlosti a rychlosti konverze. Díky ultrazvukem asistované elektrolýze je výroba vodíku ekonomická a energeticky účinná.
Ultrazvukem podporované elektrochemické reakce, jako je elektrolýza a elektrokoagulace, vykazují zlepšenou reakční rychlost, rychlost a výtěžky.

Zrychlení výroby vodíku pomocí ultrazvuku a elektrochemie

Spojením účinnosti ultrazvukové kavitace s přesností elektrochemických reakcí lze dosáhnout vyšších výtěžků vodíku a nižší spotřeby energie. Pokročilé sonoelektrochemické systémy společnosti Hielscher zvyšují přenos hmoty, zlepšují aktivitu katalyzátoru a optimalizují povrchy elektrod, čímž zajišťují konzistentní a vysoce výkonnou výrobu H₂.
Hlavní výhody:

• Vylepšený přenos hmoty: Ultrazvukové vlny snižují tloušťku difúzní vrstvy, čímž zajišťují účinný přísun reaktantů k elektrodám.
• Zvýšená stabilita katalyzátoru: Ultrazvuková léčba zabraňuje aglomeraci nanočástic, čímž zajišťuje udržení vysoké katalytické aktivity v průběhu času.
• Energetická účinnost: Optimalizujte spotřebu energie využitím mikromíchání a čištění povrchu vyvolaného kavitací.

Efektivní výroba vodíku se sonikací

Elektrolýza vody a vodných roztoků za účelem výroby vodíku je slibným procesem pro výrobu čisté energie. Elektrolýza vody je elektrochemický proces, při kterém se elektřina aplikuje k rozdělení vody na dva plyny, a to vodík (H2) a kyslík (O2). Aby bylo možné rozštěpit H – O – H se váže elektrolýzou, vodou prochází elektrický proud.
Pro elektrolytickou reakci se použije přímá elektrická měna, která zahájí jinak nespontánní reakci. Elektrolýzou lze generovat vodík o vysoké čistotě jednoduchým, ekologickým a ekologickým procesem s nulovými emisemi CO2, protože O2 je jediným vedlejším produktem.
Pokud jde o elektrolýzu vody, k rozkladu vody na kyslík a vodík dochází tím, že se vodou prochází elektrický proud.
V čisté vodě na záporně nabité katodě probíhá redukční reakce, při které jsou elektrony (e−) z katody darovány vodíkovým kationtům, takže vzniká plynný vodík. Na kladně nabité anodě probíhá oxidační reakce, při které se generuje plynný kyslík a zároveň se do anody dostávají elektrony. To znamená, že voda reaguje na anodě za vzniku kyslíku a kladně nabitých vodíkových iontů (protonů). Tím je dokončena následující rovnice energetické bilance:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (plyn) (redukce na katodě)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidace na anodě)
Celková reakce: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
K elektrolýze se často používá alkalická voda za účelem výroby vodíku. Alkalické soli jsou rozpustné hydroxidy alkalických kovů a kovů alkalických zemin, z nichž běžné příklady jsou: hydroxid sodný (NaOH, také známý jako hydroxid sodný) a hydroxid draselný (KOH, také známý jako hydroxid draselný). Pro eletkrolýzu se používají hlavně koncentrace 20% až 40% hydroxidu louhu.

Ultrazvuková syntéza vodíku

Když plynný vodík vzniká elektrolytickou reakcí, vodík se syntetizuje přímo při potenciálu rozkladu. Povrch elektrod je oblast, kde dochází k tvorbě vodíku na molekulárním stupni během elektrochemické reakce. Molekuly vodíku se nukleují na povrchu elektrody, takže následně jsou kolem katody přítomny bubliny plynného vodíku. Použití ultrazvukových elektrod zlepšuje impedanci aktivity a impedanci koncentrace a urychluje stoupání vodíkových bublin během elektrolýzy vody. Několik studií prokázalo, že ultrazvuková výroba vodíku efektivně zvyšuje výnosy vodíku.

Ultrazvukové účinky na elektrolýzu

Elektrolýza s ultrazvukovým buzením je také známá jako sonoelektrolýza. Různé ultrazvukové faktory sonomechanické a sonochemické povahy ovlivňují a urychlují elektrochemické reakce.

1. Ultrazvukové vlny vytvářejí bublinky
2. Bubliny praskají
3. Extrémní teplo rozštěpuje molekuly vody

Faktory ovlivňující elektrolýzu jsou důsledkem kavitace a vibrací vyvolaných ultrazvukem a zahrnují akustické proudění, mikroturbulence, mikroproudy, rázové vlny i sonochemické jevy. K ultrazvukové / akustické kavitaci dochází, když jsou do kapaliny přivedeny ultrazvukové vlny vysoké intenzity. Jev kavitace je charakterizován růstem a kolapsem takzvaných kavitačních bublin. Imploze bublin je provázena mimořádně intenzivními, lokálně působícími silami. Mezi tyto síly patří intenzivní lokální zahřívání až na 5000 K, vysoké tlaky až 1000 atm a enormní rychlosti ohřevu a ochlazování (>100 k/s), které vyvolávají jedinečnou interakci mezi hmotou a energií. Například tyto kavitační síly ovlivňují vodíkové vazby ve vodě a usnadňují rozštěpování vodních klastrů, což následně vede ke snížení spotřeby energie při elektrolýze.
 
Ultrazvukový dopad na elektrody

• Odstranění usazenin z povrchu elektrody
• Aktivace povrchu elektrody
• Transport elektrolytů směrem k elektrodám a od elektrod

Ultrazvukové čištění a aktivace povrchů elektrod

Přenos hmoty je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících reakční rychlost, průběh a výtěžek. Během elektrolytických reakcí se reakční produkty, např. sraženiny, hromadí jak v okolí, tak přímo na povrchu elektrod a zpomalují elektrolytickou konverzi čerstvého roztoku na elektrodě. Elektrolytické procesy podporované ultrazvukem vykazují zvýšený přenos hmoty v objemu roztoku i v blízkosti povrchů. Ultrazvukové vibrace a kavitace odstraňují pasivační vrstvy z povrchů elektrod a udržují je tak trvale plně účinné. Kromě toho je známo, že sonifikace zlepšuje reakční cesty díky sonochemickým účinkům.

Nižší ohmický úbytek napětí, reakční nadměrný potenciál a rozkladný potenciál

Napětí potřebné k tomu, aby došlo k elektrolýze, je známé jako rozkladný potenciál. Ultrazvuk může snížit potřebný rozkladný potenciál v procesech elektrolýzy.

Ultrazvuková elektrolýza cela

Pro elektrolýzu vody jsou ultrazvukový příkon energie, mezera elektrod a koncentrace elektrolytu klíčovými faktory, které ovlivňují elektrolýzu vody a její účinnost.
Pro alkalickou elektrolýzu se používá elektrolýzní článek s vodným hydroxidem obvykle 20%–40% KOH nebo NaOH. Elektrická energie je aplikována na dvě elektrody.
Elektrodové katalyzátory lze použít k urychlení reakční rychlosti. Například Pt elektrody jsou výhodné, protože reakce probíhá snadněji.
Vědecké výzkumné články uvádějí 10%-25% úsporu energie pomocí ultrazvukem podporované elektrolýzy vody.

Ultrazvukové elektrolyzéry pro výrobu vodíku v pilotním a průmyslovém měřítku

Hielscher Ultrasonics’ Průmyslové ultrazvukové procesory jsou konstruovány pro provoz 24/7/365 při plném zatížení a v náročných procesech.
Dodávkou robustních ultrazvukových systémů, speciálně navržených sonotrod (sond), které fungují jako elektrodový a ultrazvukový vysílač vln současně, a elektrolytických reaktorů, Hielscher Ultrasonics uspokojuje specifické požadavky na elektrolytickou výrobu vodíku. Všechny digitální průmyslové ultrasonicators řady UIP (UIP500hdT (500 wattů), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW) a UIP4000hdT (4kW)) jsou vysoce výkonné ultrazvukové jednotky pro elektrolýzní aplikace.

Níže uvedená tabulka vám poskytne přehled o našich sonikátorech a sonoelektrodách pro elektrochemickou výrobu H₂ – od výzkumné laboratoře až po výrobu: