Producción sonoelectrolítica de hidrógeno a partir de ácido sulfúrico diluido

La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis. La ultrasonicación puede aumentar significativamente los índices de producción de hidrógeno gaseoso en la célula electrolítica.

A continuación se describen dos montajes experimentales con un ánodo de carbono y un cátodo de titanio. Para demostrar los efectos positivos de la ultrasonicación en la electrólisis, el cátodo de titanio es un sonoelectrodo. Esto añade vibraciones ultrasónicas y cavitación a la producción electrolítica de hidrógeno y oxígeno a partir de ácido sulfúrico diluido. La combinación de ultrasonidos con electricidad se utiliza en la sonoelectroquímica, la sonoelectrolisis y la sonoelectrosíntesis.
El homogeneizador ultrasónico UP100H de Hielscher (100 vatios, 30 kHz) está equipado con una actualización sonoelectroquímica. Esto permite utilizar el sonotrodo como cátodo o ánodo en un proceso electrolítico. Para configuraciones industriales sonoelectrolíticas, haga clic aquí.

Mostrar una sonda ultrasónica de titanio como cátodo sonoelectrolítico en la producción de hidrógeno a partir de ácido sulfúrico diluido.

Cátodo sonoeléctrico en el procesador de ultrasonidos UP100H

Configuración de Sonoelectrolisis 1 – Célula indivisa de tipo H

El montaje utiliza ácido sulfúrico diluido (H2SO4, 1,0M). Una célula indivisa de tipo H se llena con el electrolito. Esta célula se conoce como voltímetro de Hofmann. Tiene tres cilindros de vidrio verticales unidos. El cilindro interior está abierto por arriba para permitir el llenado con electrolito. La apertura de las válvulas en la parte superior de los tubos exteriores permite la salida de cualquier gas durante el llenado. En la célula electrolítica, los electrodos se sellan con anillos de goma y se sumergen boca abajo en la solución de agua acidificada. El electrodo positivo del ánodo es de carbono (8 mm). El cátodo negativo es un sonoelectrodo ultrasónico de titanio (10 mm, sonotrodo especial de alta superficie, Hielscher UP100H, 100 vatios, 30 kHz). El sonoelectrodo de titanio y el electrodo de carbono son inertes. La electrólisis sólo tendrá lugar cuando la electricidad pase a través de la solución diluida de ácido sulfúrico. Por lo tanto, el ánodo de carbono y el cátodo de titanio están conectados a una fuente de alimentación de tensión constante (corriente continua).
El gas hidrógeno y el gas oxígeno producidos en la electrólisis del ácido sulfúrico diluido se recogen en los tubos exteriores graduados situados encima de cada electrodo. El volumen de gas desplaza al electrolito en los tubos exteriores y se puede medir el volumen del gas adicional. La proporción teórica del volumen de gas es de 2:1. Durante la electrólisis, sólo se elimina agua del electrolito en forma de gas hidrógeno y gas oxígeno. Por lo tanto, la concentración de ácido sulfúrico diluido aumenta ligeramente durante la electrólisis.
El siguiente vídeo muestra la sonoelectrolisis de ácido sulfúrico diluido mediante ultrasonidos pulsados (amplitud del 100%, modo cíclico, 0,2 segundos encendido, 0,8 segundos apagado). Ambas pruebas se realizaron a 2,1 V (CC, tensión constante).

Este vídeo ilustra la influencia positiva de la ultrasonicación directa del electrodo sobre la corriente eléctrica en una configuración de electrolizador H-Cell. Utiliza un homogeneizador ultrasónico Hielscher UP100H (100 vatios, 30 kHz) con actualización electroquímica y un electrodo/sonotrodo de titanio. La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce gas hidrógeno y gas oxígeno. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis. La ultrasonicación puede aumentar significativamente los índices de producción de hidrógeno gaseoso en la célula electrolítica.

Sonoelectroquímica - Ilustración de la influencia de la ultrasonicación en la electrólisis de la célula H

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Configuración de la sonoelectrolisis 2 – Lote simple

Se llena un recipiente de vidrio con un electrolito de ácido sulfúrico diluido (H2SO4, 1,0M). En esta sencilla célula electrolítica, los electrodos se sumergen en una solución de agua acidificada. El electrodo positivo del ánodo es de carbono (8 mm). El cátodo negativo es un sonoelectrodo ultrasónico de titanio (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vatios, 30 kHz). La electrólisis sólo tendrá lugar cuando la electricidad pase a través de la solución diluida de ácido sulfúrico. Por lo tanto, el ánodo de carbono y el cátodo de titanio están conectados a una fuente de alimentación de tensión constante (corriente continua). El electrodo de titanio y el electrodo de carbono son inertes. El gas hidrógeno y el gas oxígeno producidos en la electrólisis del ácido sulfúrico diluido no se recogen en este montaje. El siguiente vídeo muestra esta sencilla instalación en funcionamiento.

Este vídeo ilustra la influencia positiva de la ultrasonicación directa del electrodo en la corriente eléctrica. Utiliza un homogeneizador ultrasónico Hielscher UP100H (100 vatios, 30 kHz) con electroquímica-upgrade y un electrodo/sonotrodo de titanio. La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce gas hidrógeno y gas oxígeno. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis. La ultrasonicación puede aumentar significativamente los índices de producción de hidrógeno gaseoso en la célula electrolítica.

Sonoelectroquímica - Ilustración de la influencia de los ultrasonidos en la electrólisis por lotes

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¿Qué ocurre durante la electrólisis?

Los iones de hidrógeno son atraídos hacia el cátodo negativo. Allí, los iones de hidrógeno o las moléculas de agua se reducen a moléculas de hidrógeno gaseoso mediante una ganancia de electrones. Como resultado, las moléculas de gas hidrógeno se descargan como gas hidrógeno. La electrólisis de muchas sales metálicas reactivas o soluciones ácidas produce hidrógeno en el electrodo catódico negativo.
Los iones sulfato negativos o las trazas de iones hidróxido son atraídos por el ánodo positivo. El propio ion sulfato es demasiado estable, por lo que no ocurre nada. Los iones de hidróxido o las moléculas de agua se descargan y se oxidan en el ánodo para formar oxígeno. Esta reacción en el ánodo positivo es una reacción de oxidación del electrodo por pérdida de electrones.

¿Por qué utilizamos ácido sulfúrico diluido?

El agua sólo contiene concentraciones mínimas de iones de hidrógeno e iones de hidróxido. Esto limita la conductividad eléctrica. Las altas concentraciones de iones hidrógeno e iones sulfato del ácido sulfúrico diluido mejoran la conductividad eléctrica del electrolito. Como alternativa, puede utilizar una solución de electrolito alcalino, como hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NAOH), y agua. La electrólisis de muchas soluciones de sales o ácido sulfúrico produce hidrógeno en el cátodo negativo y oxígeno en el ánodo positivo. La electrólisis del ácido clorhídrico o de sales de cloruro produce cloro en el ánodo.

¿Qué es un electrolizador?

Un electrolizador es un dispositivo para separar el agua en hidrógeno y oxígeno en un proceso conocido como electrólisis. El electrolizador utiliza electricidad para producir gas hidrógeno y gas oxígeno. El hidrógeno gaseoso puede almacenarse en forma de gas comprimido o licuado. El hidrógeno es un portador de energía para su uso en pilas de combustible de hidrógeno en coches, trenes, autobuses o camiones.
Un electrolizador básico contiene un cátodo (carga negativa) y un ánodo (carga positiva) y componentes periféricos, como bombas, respiraderos, depósitos de almacenamiento, una fuente de alimentación, un separador y otros componentes. La electrólisis del agua es una reacción electroquímica que se produce dentro del electrolizador. El ánodo y el cátodo están alimentados por una corriente continua y el agua (H20) se divide en sus componentes hidrógeno (H2) y oxígeno (O2).

Literatura / Referencias


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