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. Les ultrasons réduisent l'épaisseur de la couche de diffusion à la surface de l'électrode et améliorent le transfert de masse pendant l'électrolyse. Les ultrasons peuvent augmenter considérablement les taux de production d'hydrogène gazeux dans la cellule d'électrolyse.
Deux montages 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. Elle ajoute des vibrations ultrasoniques 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 dans la sonoélectrochimie, la sonoélectrolyse et la sonoélectrosynthèse.
L'homogénéisateur ultrasonique Hielscher UP100H (100 watts, 30 kHz) est équipé d'une amélioration sonoélectrochimique. Cela permet d'utiliser la sonotrode comme cathode ou anode dans un processus électrolytique. Pour les installations industrielles de sonoélectrolyse, cliquez ici !
Cathode sonoélectrique sur processeur ultrasonique UP100H
Installation de sonoélectrolyse 1 – Cellule indivise de type H
Le montage utilise de l'acide sulfurique dilué (H2SO4, 1,0M). Une cellule indivise de type H est remplie de l'électrolyte. Cette cellule est connue sous le nom de voltamètre de Hofmann. Elle se compose de trois cylindres de verre verticaux joints. Le cylindre intérieur est ouvert en haut pour permettre le remplissage avec l'électrolyte. L'ouverture des valves au sommet des tubes extérieurs permet au gaz de s'échapper pendant le remplissage. Dans la cellule électrolytique, les électrodes sont scellées par des anneaux en caoutchouc et immergées à l'envers dans la solution d'eau acidifiée. L'électrode anodique positive est en carbone (8 mm). La cathode négative est une sonoélectrode ultrasonique en titane (10 mm, sonoélectrode spéciale à grande surface, Hielscher UP100H, 100 watts, 30 kHz). 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 diluée. Par conséquent, l'anode en carbone et la cathode en titane sont connectées à une alimentation électrique à tension constante (courant continu).
L'hydrogène et l'oxygène 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 de gaz supplémentaire peut être mesuré. Le rapport théorique du volume de gaz est de 2:1. Au cours de 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 au cours de l'électrolyse.
La vidéo ci-dessous montre la sonoélectrolyse de l'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 2,1 V (DC, tension constante).
Installation de sonoélectrolyse 2 – Lot simple
Un récipient en verre est rempli d'un électrolyte d'acide sulfurique dilué (H2SO4, 1,0 M). Dans cette cellule électrolytique simple, les électrodes sont immergées dans une solution d'eau acidifiée. L'électrode anodique positive est en carbone (8 mm). La cathode négative est une sonoélectrode ultrasonique en titane (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30 kHz). L'électrolyse n'a lieu que lorsque l'électricité traverse la solution d'acide sulfurique diluée. L'anode en carbone et la cathode en titane sont donc connectées à une alimentation électrique à tension constante (courant continu). L'électrode de titane et l'électrode de carbone sont inertes. L'hydrogène et l'oxygène produits lors de l'électrolyse de l'acide sulfurique dilué ne sont pas recueillis dans ce dispositif. La vidéo ci-dessous montre ce dispositif très simple en fonctionnement.
Que se passe-t-il pendant l'électrolyse ?
Les ions hydrogène sont attirés vers la cathode négative. Là, les ions d'hydrogène ou les molécules d'eau sont réduits en molécules d'hydrogène gazeux par un gain d'électrons. Les molécules d'hydrogène gazeux sont alors rejetées 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 par l'anode positive. L'ion sulfate lui-même est trop stable, de sorte qu'il ne se passe rien. Les ions hydroxydes 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 de l'électrode par perte d'électrons.
Pourquoi utilise-t-on de l'acide sulfurique dilué ?
L'eau ne contient que des concentrations infimes d'ions hydrogène et d'ions hydroxyde. Cela limite la conductivité électrique. Les 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 d'électrolyte alcalin 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 des sels de chlorure produit du chlore à l'anode.
Qu'est-ce qu'un électrolyseur ?
Un électrolyseur est un appareil qui sépare l'eau en hydrogène et en oxygène dans un processus connu sous le nom d'électrolyse. L'électrolyseur utilise 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 hydrogène des voitures, des trains, des bus ou des camions.
Un électrolyseur de base contient une cathode (charge négative) et 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 dans l'électrolyseur. L'anode et la cathode sont alimentées par un courant continu et l'eau (H20) est divisée en ses composants, l'hydrogène (H2) et l'oxygène (O2).
Littérature / Références
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