Sonoelektrolytische Wasserstofferzeugung aus verdünnter Schwefelsäure

Bei der Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure entsteht Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stofftransport während der Elektrolyse. Die Ultraschallbehandlung kann die Wasserstoffgas-Produktionsraten in der Elektrolysezelle deutlich erhöhen.

Im Folgenden werden zwei Versuchsaufbauten mit einer Kohlenstoffanode und einer Titankathode beschrieben. Um die positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Elektrolyse zu demonstrieren, ist die Titankathode eine Sonoelektrode. Diese fügt der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus verdünnter Schwefelsäure Ultraschallschwingungen und Kavitation hinzu. Die Kombination von Ultraschall mit Elektrizität wird in der Sonoelektrochemie, Sonoelektrolyse und Sonoelektrosynthese eingesetzt.
Der Hielscher Ultraschall-Homogenisator UP100H (100 Watt, 30kHz) ist mit einer sonoelektrochemischen Aufrüstung ausgestattet. Damit ist es möglich, die Sonotrode als Kathode oder Anode in einem elektrolytischen Prozess einzusetzen. Für industrielle Sonoelektrolytaufbauten, bitte hier klicken!

Show an ultrasonic titanium probe as a sonoelectrolytic cathode in hydrogen production from dilute sulfuric acid.

Sonoelektrische Kathode am UP100H-Ultraschallprozessor

Sonoelektrolyse-Aufbau 1 – H-Typ Ungeteilte Zelle

Der Aufbau verwendet verdünnte Schwefelsäure (H2SO4, 1,0M). Eine ungeteilte Zelle vom Typ H wird mit dem Elektrolyten gefüllt. Diese Zelle wird als Hofmann-Voltameter bezeichnet. Sie besteht aus drei miteinander verbundenen, aufrechten Glaszylindern. Der innere Zylinder ist oben offen, um die Befüllung mit Elektrolyt zu ermöglichen. Durch Öffnen der Ventile an der Oberseite der äußeren Röhren kann Gas beim Befüllen entweichen. In der Elektrolysezelle werden die Elektroden durch Gummiringe abgedichtet und kopfüber in die Lösung aus angesäuertem Wasser getaucht. Die positive Anodenelektrode besteht aus Kohlenstoff (8mm). Die negative Kathode ist eine Titan-Ultraschall-Sonoelektrode (10mm, spezielle Sonotrode mit großer Oberfläche, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30kHz). Die Titansonoelektrode und die Kohleelektrode sind inert. Die Elektrolyse findet nur statt, wenn Strom durch die verdünnte Schwefelsäurelösung geleitet wird. Deshalb werden die Kohlenstoffanode und eine Titankathode an eine Konstantspannungsversorgung (Gleichstrom) angeschlossen.
Das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas, das bei der Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure entsteht, wird in den graduierten Außenrohren über jeder Elektrode gesammelt. Das Gasvolumen verdrängt den Elektrolyten in den Außenrohren, und das Volumen des zusätzlichen Gases kann gemessen werden. Das theoretische Verhältnis des Gasvolumens ist 2:1. Während der Elektrolyse wird nur Wasser als Wasserstoffgas und Sauerstoffgas aus dem Elektrolyten entfernt. Daher steigt die Konzentration der verdünnten Schwefelsäure während der Elektrolyse leicht an.
Das folgende Video zeigt die Sonoelektrolyse von verdünnter Schwefelsäure mit gepulstem Ultraschall (100 % Amplitude, Zyklusmodus, 0,2 Sekunden an, 0,8 Sekunden aus). Beide Versuche wurden bei 2,1 V (DC, konstante Spannung) durchgeführt.

Dieses Video zeigt die sonoelektrolytische Erzeugung von Wasserstoff in einem Hofmann-Voltameter

Sonoelektrolytische Wasserstofferzeugung im Hofmann-Voltameter

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Sonoelektrolyse-Aufbau 2 – Einfacher Batch

Ein Glasgefäß wird mit einem Elektrolyten aus verdünnter Schwefelsäure (H2SO4, 1,0M) gefüllt. In dieser einfachen Elektrolysezelle werden die Elektroden in eine Lösung des angesäuerten Wassers getaucht. Die positive Anodenelektrode besteht aus Kohlenstoff (8mm). Die negative Kathode ist eine Titan-Ultraschall-Sonoelektrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30kHz). Die Elektrolyse findet nur statt, wenn Strom durch die verdünnte Schwefelsäurelösung geleitet wird. Deshalb werden die Kohlenstoffanode und eine Titankathode an eine Konstantspannungsversorgung (Gleichstrom) angeschlossen. Die Titanelektrode und die Kohlenstoffelektrode sind inert. Das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas, die bei der Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure entstehen, werden bei diesem Aufbau nicht gesammelt. Das folgende Video zeigt diesen sehr einfachen Aufbau im Betrieb.

Dieses Video zeigt die Sonoelektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff

Sonoelektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff

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Was passiert bei der Elektrolyse?

Die Wasserstoff-Ionen werden zur negativen Kathode gezogen. Dort werden die Wasserstoffionen bzw. Wassermoleküle durch einen Elektronengewinn zu Wasserstoffgasmolekülen reduziert. Als Ergebnis werden Wasserstoffgasmoleküle als Wasserstoffgas ausgeschieden. Bei der Elektrolyse vieler reaktiver Metallsalze oder saurer Lösungen entsteht an der negativen Kathodenelektrode Wasserstoff.
Die negativen Sulfat-Ionen oder die Spuren von Hydroxid-Ionen werden von der positiven Anode angezogen. Das Sulfat-Ion selbst ist zu stabil, so dass nichts passiert. Hydroxid-Ionen bzw. Wassermoleküle werden abgeführt und an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Diese Reaktion an der positiven Anode ist eine Oxidationselektrodenreaktion durch Elektronenverlust.

Warum verwenden wir verdünnte Schwefelsäure?

Wasser enthält nur winzige Konzentrationen von Wasserstoff- und Hydroxid-Ionen. Dies begrenzt die elektrische Leitfähigkeit. Hohe Konzentrationen von Wasserstoffionen und Sulfationen aus der verdünnten Schwefelsäure verbessern die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten. Alternativ können Sie alkalische Elektrolytlösung wie Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NAOH) und Wasser verwenden. Die Elektrolyse vieler Lösungen von Salzen oder Schwefelsäure erzeugt Wasserstoff an der negativen Kathode und Sauerstoff an der positiven Anode. Bei der Elektrolyse von Salzsäure oder Chloridsalzen entsteht an der Anode Chlor.

Was ist ein Elektrolyseur?

Ein Elektrolyseur ist ein Gerät zur Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in einem Prozess, der als Elektrolyse bekannt ist. Der Elektrolyseur verwendet Elektrizität, um Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zu erzeugen. Das Wasserstoffgas kann als komprimiertes oder verflüssigtes Gas gespeichert werden. Wasserstoff ist ein Energieträger für den Einsatz in Wasserstoff-Brennstoffzellen in Autos, Zügen, Bussen oder LKWs.
Ein Basiselektrolyseur enthält eine Kathode (negative Ladung) und eine Anode (positive Ladung) sowie periphere Komponenten wie Pumpen, Entlüftungen, Vorratsbehälter, eine Stromversorgung, einen Separator und andere Komponenten. 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) gespalten.

Literatur / Literaturhinweise