Production d'hydrogène par sonoélectrolyse à partir d'acide sulfurique dilué

L'électrolyse de l'acide sulfurique dilué produit de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. L'ultrasonication réduit l'épaisseur de la couche de diffusion à la surface de l'électrode et améliore le transfert de masse pendant l'électrolyse. L'ultrasonication peut augmenter de manière significative les taux de production d'hydrogène gazeux dans la cellule électrolytique.

Deux dispositifs expérimentaux avec une anode en carbone et une cathode en titane sont décrits ci-dessous. Pour démontrer les effets positifs des ultrasons sur l'électrolyse, la cathode en titane est une sonoélectrode. Celle-ci ajoute les vibrations ultrasoniques et la cavitation à la production électrolytique d'hydrogène et d'oxygène à partir d'acide sulfurique dilué. La combinaison des ultrasons et de l'électricité est utilisée en sonoélectrochimie, en sonoélectrolyse et en sonoélectrosynthèse.
L'homogénéisateur à ultrasons Hielscher UP100H (100 watts, 30 kHz) est équipé d'une mise à niveau sono-électrochimique. Cela permet d'utiliser la sonotrode comme cathode ou anode dans un processus électrolytique. Pour les installations industrielles de sonoélectrolyse, veuillez cliquer ici !

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

Cathode sonoélectrique sur le processeur ultrasonique UP100H

Configuration de la sonoélectrolyse 1 – Cellule indivisible de type H

Le dispositif utilise de l'acide sulfurique dilué (H2SO4, 1,0M). Une cellule indivisée de type H est remplie de l'électrolyte. Cette cellule est connue sous le nom de voltamètre Hofmann. Elle comporte trois cylindres de verre verticaux reliés entre eux. Le cylindre intérieur est ouvert en haut pour permettre le remplissage avec l'électrolyte. L'ouverture des valves au sommet des tubes extérieurs permet à tout gaz de s'échapper pendant le remplissage. Dans la cellule d'électrolyse, les électrodes sont scellées par des anneaux de caoutchouc et immergées à l'envers dans la solution d'eau acidifiée. L'électrode de l'anode positive est en carbone (8 mm). La cathode négative est une sonoélectrode ultrasonique en titane (10mm, sonotrode spéciale à haute surface, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). La sonoélectrode en titane et l'électrode en carbone sont inertes. L'électrolyse n'a lieu que lorsque l'électricité passe à travers la solution d'acide sulfurique diluée. Par conséquent, l'anode en carbone et une cathode en titane sont connectées à une alimentation électrique à tension constante (courant continu).
L'hydrogène et l'oxygène gazeux produits dans l'électrolyse de l'acide sulfurique dilué sont recueillis dans les tubes extérieurs gradués au-dessus de chaque électrode. Le volume de gaz déplace l'électrolyte dans les tubes extérieurs, et le volume du gaz supplémentaire peut être mesuré. Le rapport théorique du volume de gaz est de 2:1. Pendant l'électrolyse, seule l'eau est retirée de l'électrolyte sous forme d'hydrogène et d'oxygène gazeux. Par conséquent, la concentration de l'acide sulfurique dilué augmente légèrement pendant l'électrolyse.
La vidéo ci-dessous montre la sonoélectrolyse d'acide sulfurique dilué à l'aide d'ultrasons pulsés (amplitude de 100 %, mode cycle, 0,2 seconde d'activation, 0,8 seconde de désactivation). Les deux tests ont été effectués à 2,1V (DC, tension constante).

Cette vidéo montre la production sonoélectrolytique d'hydrogène dans un voltamètre Hofmann

Production d'hydrogène par sonoélectrolyse dans le voltamètre Hofmann

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Configuration de la sonoélectrolyse 2 – Lot simple

Un récipient en verre est rempli d'un électrolyte d'acide sulfurique dilué (H2SO4, 1,0M). Dans cette simple cellule électrolytique, les électrodes sont immergées dans une solution d'eau acidifiée. L'électrode de l'anode positive est en carbone (8 mm). La cathode négative est une sonoélectrode ultrasonique en titane (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). L'électrolyse n'a lieu que lorsque l'électricité passe à travers la solution d'acide sulfurique diluée. L'anode en carbone et une cathode en titane sont donc connectées à une alimentation électrique à tension constante (courant continu). L'électrode en titane et l'électrode en carbone sont inertes. L'hydrogène gazeux et l'oxygène gazeux produits dans l'électrolyse de l'acide sulfurique dilué ne sont pas recueillis dans ce dispositif. La vidéo ci-dessous montre cette installation très simple en fonctionnement.

Cette vidéo montre la sonoélectrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène

La sonoélectrolyse de l'eau en hydrogène et oxygène

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Que se passe-t-il pendant l'électrolyse ?

Les ions hydrogène sont attirés vers la cathode négative. Là, l'ion hydrogène ou les molécules d'eau sont réduits en molécules de gaz hydrogène par un gain d'électrons. En conséquence, les molécules d'hydrogène gazeux sont déchargées sous forme d'hydrogène gazeux. L'électrolyse de nombreux sels métalliques réactifs ou de solutions acides produit de l'hydrogène à l'électrode de la cathode négative.
Les ions sulfate négatifs ou les traces d'ions hydroxyde sont attirés vers l'anode positive. L'ion sulfate lui-même est trop stable, de sorte que rien ne se passe. Les ions hydroxyde ou les molécules d'eau sont déchargés et oxydés à l'anode pour former de l'oxygène. Cette réaction anodique positive est une réaction d'oxydation par perte d'électrons.

Pourquoi utilisons-nous l'acide sulfurique dilué ?

L'eau contient des concentrations infimes d'ions hydrogène et d'ions hydroxyde, uniquement. Cela limite la conductivité électrique. Des concentrations élevées d'ions hydrogène et d'ions sulfate provenant de l'acide sulfurique dilué améliorent la conductivité électrique de l'électrolyte. Vous pouvez également utiliser une solution électrolytique alcaline comme l'hydroxyde de potassium (KOH) ou l'hydroxyde de sodium (NAOH), et de l'eau. L'électrolyse de nombreuses solutions de sels ou d'acide sulfurique produit de l'hydrogène à la cathode négative et de l'oxygène à l'anode positive. L'électrolyse de l'acide chlorhydrique ou des sels de chlorure produit du chlore à l'anode.

Qu'est-ce qu'un électrolyseur ?

Un électrolyseur est un dispositif qui permet de séparer l'eau en hydrogène et en oxygène par un processus appelé électrolyse. L'électrolyseur utilise de l'électricité pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. L'hydrogène gazeux peut être stocké sous forme de gaz comprimé ou liquéfié. L'hydrogène est un vecteur d'énergie utilisé dans les piles à combustible des voitures, des trains, des bus ou des camions.
Un électrolyseur de base contient une cathode (charge négative) et une anode (charge positive) et des composants périphériques, tels que des pompes, des évents, des réservoirs de stockage, une alimentation électrique, un séparateur et d'autres composants. L'électrolyse de l'eau est une réaction électrochimique qui se produit à l'intérieur de l'électrolyseur. L'anode et la cathode sont alimentées par un courant continu et l'eau (H20) est divisée en ses composants : hydrogène (H2) et oxygène (O2).

Littérature / Références