Sonoelektrolytische Wasserstoffproduktion aus verdünnter Schwefelsäure
Bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure entstehen gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stofftransport während der Elektrolyse. Die Ultraschallbehandlung kann die Produktionsrate von gasförmigem Wasserstoff in der Elektrolysezelle erheblich steigern.
Im Folgenden werden zwei Versuchsaufbauten mit einer Kohlenstoffanode und einer Titankathode beschrieben. Um die positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Elektrolyse zu demonstrieren, wird als Titankathode eine Sonoelektrode verwendet. Dadurch werden Ultraschallschwingungen und Kavitation in die elektrolytische Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus verdünnter Schwefelsäure eingebracht. Die Kombination von Ultraschall und elektrischem Strom wird in der Sonoelektrochemie, der Sonoelektrolyse und der Sonoelektrosynthese eingesetzt.
Der Ultraschallhomogenisator UP100H von Hielscher (100 Watt, 30 kHz) ist mit einer sonoelektrochemischen Erweiterung ausgestattet. Damit lässt sich die Sonotrode als Kathode oder Anode in einem elektrolytischen Prozess verwenden. Für industrielle Sonoelektrolyse-Aufbauten klicken Sie bitte hier!
Sonoelektrische Kathode am Ultraschallprozessor UP100H
Sonoelektrolyse-Aufbau 1 – Ungeteilte H-Zelle
Der Versuchsaufbau verwendet verdünnte Schwefelsäure (H2SO4, 1,0 M). Eine ungeteilte H-Zelle wird mit dem Elektrolyten gefüllt. Diese Zelle ist als Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat bekannt. Sie besteht aus drei miteinander verbundenen, senkrechten Glaszylindern. Der mittlere Zylinder ist oben offen, damit der Elektrolyt eingefüllt werden kann. Durch Öffnen der Ventile am oberen Ende der äußeren Röhren kann beim Befüllen Gas entweichen. In der Elektrolysezelle sind die Elektroden mit Gummiringen abgedichtet und kopfüber in das angesäuerte Wasser eingetaucht. Die positive Anode besteht aus Kohlenstoff (8 mm). Die negative Kathode ist eine Ultraschall-Sonoelektrode aus Titan (10 mm, spezielle Sonotrode mit großer Oberfläche, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30 kHz). Die Titan-Sonoelektrode und die Kohlenstoffelektrode sind inert. Die Elektrolyse findet nur statt, wenn elektrischer Strom durch die verdünnte Schwefelsäurelösung fließt. Daher werden die Kohlenstoffanode und eine Titankathode an eine Konstantspannungsversorgung (Gleichstrom) angeschlossen.
Der bei der Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure entstehende gasförmige Wasserstoff und Sauerstoff werden in den graduierten äußeren Röhren über der jeweiligen Elektrode aufgefangen. Das Gasvolumen verdrängt den Elektrolyten in den äußeren Röhren, und das Volumen des zusätzlich entstandenen Gases lässt sich messen. Das theoretische Verhältnis der Gasvolumina beträgt 2:1. Während der Elektrolyse wird dem Elektrolyten nur Wasser in Form von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff entzogen. Daher steigt die Konzentration der verdünnten Schwefelsäure während der Elektrolyse leicht an.
Das folgende Video zeigt die Sonoelektrolyse verdünnter Schwefelsäure mit gepulster Ultraschallbehandlung (100 % Amplitude, Zyklusbetrieb, 0,2 Sekunden eingeschaltet, 0,8 Sekunden ausgeschaltet). Beide Versuche wurden bei 2,1 V durchgeführt (Gleichstrom, konstante Spannung).
Sonoelektrolyse-Aufbau 2 – Einfacher Chargenbetrieb
Ein Glasgefäß wird mit einem Elektrolyten aus verdünnter Schwefelsäure gefüllt (H2SO4, 1,0 M). In dieser einfachen Elektrolysezelle werden die Elektroden in das angesäuerte Wasser eingetaucht. Die positive Anode besteht aus Kohlenstoff (8 mm). Die negative Kathode ist eine Ultraschall-Sonoelektrode aus Titan (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30 kHz). Die Elektrolyse findet nur statt, wenn elektrischer Strom durch die verdünnte Schwefelsäurelösung fließt. Daher werden die Kohlenstoffanode und eine Titankathode an eine Konstantspannungsversorgung (Gleichstrom) angeschlossen. Die Titanelektrode und die Kohlenstoffelektrode sind inert. Der bei der Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure entstehende gasförmige Wasserstoff und Sauerstoff werden in diesem Aufbau nicht aufgefangen. Das folgende Video zeigt diesen sehr einfachen Aufbau im Betrieb.
Was geschieht während der Elektrolyse?
Die Wasserstoffionen werden von der negativen Kathode angezogen. Dort werden die Wasserstoffionen oder Wassermoleküle durch Aufnahme von Elektronen zu Wasserstoffmolekülen reduziert. Dabei werden die Wasserstoffmoleküle als gasförmiger Wasserstoff freigesetzt. Bei der Elektrolyse vieler Salze reaktiver Metalle oder Säurelösungen entsteht Wasserstoff an der negativen Kathode.
Die negativen Sulfationen oder die in Spuren vorhandenen Hydroxidionen werden von der positiven Anode angezogen. Das Sulfation selbst ist zu stabil, sodass es nicht reagiert. Hydroxidionen oder Wassermoleküle werden an der Anode entladen und unter Bildung von Sauerstoff oxidiert. Diese Reaktion an der positiven Anode ist eine elektrochemische Oxidationsreaktion unter Abgabe von Elektronen.
Warum verwenden wir verdünnte Schwefelsäure?
Wasser enthält Wasserstoffionen und Hydroxidionen nur in sehr geringen Konzentrationen. Dies begrenzt die elektrische Leitfähigkeit. Hohe Konzentrationen von Wasserstoffionen und Sulfationen aus der verdünnten Schwefelsäure verbessern die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten. Alternativ können Sie eine alkalische Elektrolytlösung, beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NAOH), und Wasser verwenden. Bei der Elektrolyse vieler Salzlösungen oder von Schwefelsäure entstehen Wasserstoff an der negativen Kathode und Sauerstoff an der positiven Anode. Bei der Elektrolyse von Salzsäure oder Chloridsalzen entsteht Chlor an der Anode.
Was ist ein Elektrolyseur?
Ein Elektrolyseur ist ein Gerät, das Wasser in einem als Elektrolyse bezeichneten Verfahren in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Elektrolyseur nutzt elektrischen Strom, um gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Der gasförmige Wasserstoff kann als komprimiertes oder verflüssigtes Gas gespeichert werden. Wasserstoff ist ein Energieträger für den Einsatz in Wasserstoff-Brennstoffzellen in Autos, Zügen, Bussen oder Lastwagen.
Ein einfacher Elektrolyseur enthält eine Kathode (negative Ladung), eine Anode (positive Ladung) und periphere Komponenten wie Pumpen, Entlüftungen, Speichertanks, eine Stromversorgung, einen Separator und weitere Bauteile. Die Wasserelektrolyse ist eine elektrochemische Reaktion, die innerhalb des Elektrolyseurs stattfindet. Anode und Kathode werden mit Gleichstrom versorgt, und das Wasser (H20) wird in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt.
Literatur / Referenzen
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