Producción de hidrógeno por vía sonoelectrolítica a partir de ácido sulfúrico diluido

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 las tasas 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, 30kHz) está equipado con una mejora sonoelectroquímica. Esto permite utilizar el sonotrodo como cátodo o ánodo en un proceso electrolítico. Para ver los montajes sonoelectrolíticos industriales, haga clic aquí.

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

Cátodo sonoeléctrico en el procesador de ultrasonidos UP100H

Configuración de la Sonoelectrolisis 1 – Célula no dividida 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. Consta de tres cilindros de vidrio unidos en posición vertical. El cilindro interior está abierto en la parte superior para permitir el llenado con electrolito. La apertura de las válvulas situadas 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 (10mm, sonotrodo especial de alta superficie, Hielscher UP100H, 100 vatios, 30kHz). El sonoelectrodo de titanio y el electrodo de carbono son inertes. La electrólisis sólo tendrá lugar cuando la electricidad pase por la solución de ácido sulfúrico diluido. 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 el agua del electrolito como gas hidrógeno y gas oxígeno. Por lo tanto, la concentración del ácido sulfúrico diluido aumenta ligeramente durante la electrólisis.
El siguiente vídeo muestra la sonoelectrolisis de ácido sulfúrico diluido utilizando ultrasonidos pulsados (100% de amplitud, modo de ciclo, 0,2 segundos de encendido, 0,8 segundos de apagado). Ambas pruebas se realizaron a 2,1 V (CC, tensión constante).

Este vídeo muestra la producción sonoelectrolítica de hidrógeno en un voltímetro Hofmann

Producción de hidrógeno sonoelectrolítico en el voltámetro Hofmann

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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 (8mm). El cátodo negativo es un sonoelectrodo de titanio (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vatios, 30kHz). La electrólisis sólo tendrá lugar cuando la electricidad pase por la solución de ácido sulfúrico diluido. 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 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 muestra la sonoelectrolisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno

Sonoelectrolisis del agua en hidrógeno y oxígeno

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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 gas de hidrógeno 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 ion sulfato en sí mismo es muy 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 una pérdida de electrones.

¿Por qué utilizamos ácido sulfúrico diluido?

El agua contiene concentraciones mínimas de iones de hidrógeno e iones de hidróxido, únicamente. Esto limita la conductividad eléctrica. Las altas concentraciones de iones de hidrógeno e iones de sulfato del ácido sulfúrico diluido mejoran la conductividad eléctrica del electrolito. Como alternativa, se 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 las 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 la electricidad para producir gas hidrógeno y gas oxígeno. El gas hidrógeno puede almacenarse como gas comprimido o licuado. El hidrógeno es un portador de energía que se utiliza en las pilas de combustible de hidrógeno de coches, trenes, autobuses o camiones.
Un electrolizador básico contiene un cátodo (carga negativa) y un ánodo (carga positiva) y componentes periféricos, como bombas, respiraderos, tanques 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 son alimentados por una corriente continua y el agua (H20) se divide en sus componentes hidrógeno (H2) y oxígeno (O2).

Literatura / Referencias