تولید سونوالکترولیتی هیدروژن از اسید سولفوریک رقیق
الکترولیز اسید سولفوریک رقیق، گاز هیدروژن و گاز اکسیژن تولید می‌کند. فراصوت‌دهی ضخامت لایهٔ نفوذ را در سطح الکترود کاهش می‌دهد و انتقال جرم را طی الکترولیز بهبود می‌بخشد. فراصوت‌دهی می‌تواند نرخ تولید گاز هیدروژن در سلول الکترولیتی را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.
در ادامه، دو آرایش آزمایشی با آند کربنی و کاتد تیتانیومی شرح داده شده است. برای نشان دادن اثرات مثبت فراصوت‌دهی بر الکترولیز، از یک سونوالکترود به‌عنوان کاتد تیتانیومی استفاده می‌شود. این کار ارتعاشات فراصوتی و کاویتاسیون را به فرایند تولید الکترولیتی هیدروژن و اکسیژن از اسید سولفوریک رقیق اضافه می‌کند. ترکیب فراصوت با الکتریسیته در سونوالکتروشیمی، سونوالکترولیز و سونوالکتروسنتز به کار می‌رود.
هموژنایزر فراصوتی Hielscher مدل UP100H (100 وات, 30kHz) به تجهیزات ارتقای سونوالکتروشیمیایی مجهز است. این تجهیزات امکان استفاده از سونوتْرود را به‌عنوان کاتد یا آند در یک فرایند الکترولیتی فراهم می‌کنند. برای مشاهدهٔ سامانه‌های صنعتی سونوالکترولیز، اینجا کلیک کنید!
کاتد سونوالکتریکی روی پردازشگر فراصوتی UP100H
آرایش سونوالکترولیز 1 – سلول بدون جداکننده از نوع H
در این آرایش از اسید سولفوریک رقیق (H2SO4, 1٫0M) استفاده می‌شود. یک سلول بدون جداکننده از نوع H با الکترولیت پر می‌شود. این سلول به ولتامتر هوفمان معروف است. این دستگاه سه استوانهٔ شیشه‌ای عمودیِ متصل به یکدیگر دارد. بالای استوانهٔ میانی باز است تا بتوان آن را با الکترولیت پر کرد. باز کردن شیرهای بالای لوله‌های بیرونی، خروج هرگونه گاز را هنگام پر کردن امکان‌پذیر می‌کند. در سلول الکترولیتی، الکترودها با حلقه‌های لاستیکی آب‌بندی شده و به‌صورت وارونه در محلول آب اسیدی‌شده غوطه‌ور می‌شوند. الکترود آند مثبت از کربن (8mm) ساخته شده است. کاتد منفی یک سونوالکترود فراصوتی تیتانیومی است (10mm، سونوتْرود ویژه با مساحت سطح زیاد، Hielscher UP100H, 100 وات, 30kHz). سونوالکترود تیتانیومی و الکترود کربنی بی‌اثر هستند. الکترولیز تنها زمانی رخ می‌دهد که جریان الکتریکی از محلول اسید سولفوریک رقیق عبور کند. بنابراین، آند کربنی و کاتد تیتانیومی به یک منبع تغذیه با ولتاژ ثابت (جریان مستقیم) متصل می‌شوند.
گاز هیدروژن و گاز اکسیژن تولیدشده در الکترولیز اسید سولفوریک رقیق، در لوله‌های بیرونی مدرج بالای هر الکترود جمع‌آوری می‌شوند. حجم گاز، الکترولیت را در لوله‌های بیرونی جابه‌جا می‌کند و حجم گاز اضافه‌شده قابل اندازه‌گیری است. نسبت نظری حجم گازها 2:1 است. طی الکترولیز، فقط آب به‌صورت گاز هیدروژن و گاز اکسیژن از الکترولیت خارج می‌شود. ازاین‌رو، غلظت اسید سولفوریک رقیق طی الکترولیز اندکی افزایش می‌یابد.
ویدئوی زیر سونوالکترولیز اسید سولفوریک رقیق را با استفاده از فراصوت‌دهی پالسی نشان می‌دهد (دامنهٔ 100%، حالت چرخه‌ای، 0٫2 ثانیه روشن، 0٫8 ثانیه خاموش). هر دو آزمایش در 2٫1V انجام شدند (DC، ولتاژ ثابت).
آرایش سونوالکترولیز 2 – ناپیوستهٔ ساده
یک ظرف شیشه‌ای با الکترولیتی از اسید سولفوریک رقیق (H2SO4, 1٫0M) پر می‌شود. در این سلول الکترولیتی ساده، الکترودها در محلول آب اسیدی‌شده غوطه‌ور می‌شوند. الکترود آند مثبت از کربن (8mm) ساخته شده است. کاتد منفی یک سونوالکترود فراصوتی تیتانیومی است (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 وات, 30kHz). الکترولیز تنها زمانی رخ می‌دهد که جریان الکتریکی از محلول اسید سولفوریک رقیق عبور کند. بنابراین، آند کربنی و کاتد تیتانیومی به یک منبع تغذیه با ولتاژ ثابت (جریان مستقیم) متصل می‌شوند. الکترود تیتانیومی و الکترود کربنی بی‌اثر هستند. گاز هیدروژن و گاز اکسیژن تولیدشده در الکترولیز اسید سولفوریک رقیق در این آرایش جمع‌آوری نمی‌شوند. ویدئوی زیر این آرایش بسیار ساده را هنگام کار نشان می‌دهد.
طی الکترولیز چه اتفاقی می‌افتد؟
یون‌های هیدروژن به سمت کاتد منفی جذب می‌شوند. در آنجا، یون هیدروژن یا مولکول‌های آب با دریافت الکترون احیا می‌شوند و به مولکول‌های گاز هیدروژن تبدیل می‌شوند. در نتیجه، مولکول‌های گاز هیدروژن به‌صورت گاز هیدروژن آزاد می‌شوند. الکترولیز بسیاری از نمک‌های فلزات واکنش‌پذیر یا محلول‌های اسیدی، در الکترود کاتد منفی هیدروژن تولید می‌کند.
یون‌های سولفات با بار منفی یا مقادیر ناچیز یون‌های هیدروکسید به سمت آند مثبت جذب می‌شوند. خود یون سولفات آن‌قدر پایدار است که واکنشی رخ نمی‌دهد. یون‌های هیدروکسید یا مولکول‌های آب در آند تخلیه و اکسید می‌شوند و اکسیژن تشکیل می‌دهند. این واکنش در آند مثبت، یک واکنش الکترودی اکسایش همراه با از دست دادن الکترون است.
چرا از اسید سولفوریک رقیق استفاده می‌کنیم؟
آب فقط حاوی غلظت‌های بسیار ناچیزی از یون‌های هیدروژن و یون‌های هیدروکسید است. این امر رسانایی الکتریکی را محدود می‌کند. غلظت‌های بالای یون‌های هیدروژن و یون‌های سولفات حاصل از اسید سولفوریک رقیق، رسانایی الکتریکی الکترولیت را بهبود می‌بخشند. به‌جای آن، می‌توانید از محلول الکترولیت قلیایی، مانند هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا هیدروکسید سدیم (NAOH) در آب استفاده کنید. الکترولیز بسیاری از محلول‌های نمک‌ها یا اسید سولفوریک، در کاتد منفی هیدروژن و در آند مثبت اکسیژن تولید می‌کند. الکترولیز اسید هیدروکلریک یا نمک‌های کلرید، در آند کلر تولید می‌کند.
الکترولایزر چیست؟
الکترولایزر دستگاهی برای تجزیهٔ آب به هیدروژن و اکسیژن در فرایندی به نام الکترولیز است. الکترولایزر برای تولید گاز هیدروژن و گاز اکسیژن از الکتریسیته استفاده می‌کند. گاز هیدروژن را می‌توان به‌صورت گاز فشرده یا مایع‌شده ذخیره کرد. هیدروژن یک حامل انرژی برای استفاده در پیل سوختی هیدروژنی در خودروها، قطارها، اتوبوس‌ها یا کامیون‌ها است.
یک الکترولایزر پایه شامل کاتد (بار منفی)، آند (بار مثبت) و اجزای جانبی، مانند پمپ‌ها، دریچه‌های تخلیهٔ گاز، مخازن ذخیره‌سازی، منبع تغذیه، جداکننده و سایر اجزا است. الکترولیز آب یک واکنش الکتروشیمیایی است که درون الکترولایزر رخ می‌دهد. آند و کاتد با جریان مستقیم تغذیه می‌شوند و آب (H20) به اجزای تشکیل‌دهندهٔ خود، یعنی هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2)، تجزیه می‌شود.
منابع علمی / مراجع
- Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
- Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
- Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
- Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
- Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
- Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
- M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
- L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.