Production sonoélectrolytique d’hydrogène à partir d’acide sulfurique dilué
L’électrolyse de l’acide sulfurique dilué produit de l’hydrogène gazeux et de l’oxygène gazeux. La sonication réduit l’épaisseur de la couche de diffusion à la surface de l’électrode et améliore le transfert de masse pendant l’électrolyse. La sonication peut augmenter de manière significative les taux de production d’hydrogène gazeux dans la cellule électrolytique.
Deux montages expérimentaux comprenant une anode en carbone et une cathode en titane sont décrits ci-dessous. Pour démontrer les effets positifs de la sonication sur l’électrolyse, la cathode en titane est une sonoélectrode. Celle-ci ajoute des vibrations ultrasonores et de 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, 30kHz) est équipé d’une extension sonoélectrochimique. Celle-ci permet d’utiliser la sonotrode comme cathode ou comme anode dans un processus électrolytique. Pour les montages sonoélectrolytiques industriels, veuillez cliquer ici !
Cathode sonoélectrique sur le processeur à ultrasons UP100H
Montage de sonoélectrolyse 1 – Cellule non divisée de type H
Le montage utilise de l’acide sulfurique dilué (H2SO4, 1,0M). Une cellule non divisée de type H est remplie de l’électrolyte. Cette cellule est connue sous le nom de voltamètre de Hofmann. Elle comporte trois cylindres verticaux en verre reliés entre eux. Le cylindre central est ouvert en haut afin de permettre le remplissage avec l’électrolyte. L’ouverture des robinets situés en haut des tubes extérieurs permet à tout gaz de s’échapper pendant le remplissage. Dans la cellule électrolytique, les électrodes sont rendues étanches par des joints en caoutchouc et immergées tête en bas dans la solution d’eau acidifiée. L’électrode positive (anode) est en carbone (8mm). La cathode négative est une sonoélectrode ultrasonore en titane (10mm, sonotrode spéciale à grande surface spécifique, 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 traverse la solution d’acide sulfurique dilué. C’est pourquoi l’anode en carbone et une cathode en titane sont reliées à une alimentation à tension constante (courant continu).
L’hydrogène gazeux et l’oxygène gazeux produits lors de l’électrolyse de l’acide sulfurique dilué sont recueillis dans les tubes extérieurs gradués situés 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 des volumes de gaz est de 2:1. Pendant l’électrolyse, seule de l’eau est retirée de l’électrolyte, sous forme d’hydrogène gazeux et d’oxygène gazeux. Par conséquent, la concentration de l’acide sulfurique dilué augmente légèrement au cours de l’électrolyse.
La vidéo ci-dessous montre la sonoélectrolyse d’acide sulfurique dilué par sonication pulsée (amplitude de 100%, mode cycle, 0,2 secondes de marche, 0,8 secondes d’arrêt). Les deux essais ont été réalisés à 2,1V (courant continu, tension constante).
Montage de sonoélectrolyse 2 – Batch simple
Un récipient en verre est rempli d’un électrolyte d’acide sulfurique dilué (H2SO4, 1,0M). Dans cette cellule électrolytique simple, les électrodes sont immergées dans une solution d’eau acidifiée. L’électrode positive (anode) est en carbone (8mm). La cathode négative est une sonoélectrode ultrasonore en titane (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). L’électrolyse n’a lieu que lorsque l’électricité traverse la solution d’acide sulfurique dilué. C’est pourquoi l’anode en carbone et une cathode en titane sont reliées à une alimentation à tension constante (courant continu). L’électrode en titane et l’électrode en carbone sont inertes. L’hydrogène gazeux et l’oxygène gazeux produits lors de l’électrolyse de l’acide sulfurique dilué ne sont pas recueillis dans ce montage. La vidéo ci-dessous montre ce montage très simple en fonctionnement.
Que se passe-t-il pendant l’électrolyse ?
Les ions hydrogène sont attirés par la cathode négative. Là, l’ion hydrogène ou les molécules d’eau sont réduits en molécules d’hydrogène gazeux par gain d’électrons. Les molécules d’hydrogène gazeux se dégagent ainsi sous forme d’hydrogène gazeux. L’électrolyse de nombreux sels de métaux réactifs ou de solutions acides produit de l’hydrogène à l’électrode négative (cathode).
Les ions sulfate négatifs ou les traces d’ions hydroxyde sont attirés par l’anode positive. L’ion sulfate lui-même est trop stable, si bien que rien ne se produit. Les ions hydroxyde ou les molécules d’eau sont déchargés et oxydés à l’anode pour former de l’oxygène. Cette réaction à l’anode positive est une réaction d’oxydation à l’électrode par perte d’électrons.
Pourquoi utilise-t-on de l’acide sulfurique dilué ?
L’eau ne contient que d’infimes concentrations d’ions hydrogène et d’ions hydroxyde. Cela limite la conductivité électrique. Les fortes concentrations d’ions hydrogène et d’ions sulfate issus de l’acide sulfurique dilué améliorent la conductivité électrique de l’électrolyte. Vous pouvez également utiliser une solution d’électrolyte alcaline telle que 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 de sels de chlorure produit du chlore à l’anode.
Qu’est-ce qu’un électrolyseur ?
Un électrolyseur est un dispositif permettant de séparer l’eau en hydrogène et en oxygène selon un procédé appelé électrolyse. L’électrolyseur utilise l’électricité pour produire de l’hydrogène gazeux et de l’oxygène gazeux. L’hydrogène gazeux peut être stocké sous forme de gaz comprimé ou liquéfié. L’hydrogène est un vecteur énergétique destiné aux piles à combustible à hydrogène des voitures, des trains, des bus ou des camions.
Un électrolyseur de base comprend une cathode (charge négative), une anode (charge positive) ainsi que 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 en courant continu et l’eau (H20) est décomposée en ses constituants, l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2).
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