Produksi Hidrogen Sonoelektrolitik dari Asam Sulfat Pengencer
Elektrolisis asam sulfat encer menghasilkan gas hidrogen dan gas oksigen. Ultrasonikasi mengurangi ketebalan lapisan difusi pada permukaan elektroda dan meningkatkan perpindahan massa selama elektrolisis. Ultrasonikasi dapat meningkatkan laju produksi gas hidrogen dalam sel elektrolitik, secara signifikan.
Dua pengaturan eksperimental dengan anoda karbon dan katoda titanium dijelaskan di bawah ini. Untuk menunjukkan efek positif ultrasonication pada elektrolisis, katoda titanium adalah sonoelektroda. Ini menambah getaran ultrasonik dan kavitasi pada produksi elektrolitik hidrogen dan oksigen dari asam sulfat encer. Kombinasi ultrasonik dengan listrik digunakan dalam sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis dan sonoelectrosynthesis.
Penghomogen ultrasonik Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) dilengkapi dengan peningkatan sonoelektrokimia. Ini memungkinkan untuk menggunakan sonotrode sebagai katoda atau anoda dalam proses elektrolitik. Untuk pengaturan sonoelektrolitik industri, silakan klik di sini!
Katoda Sonoelektrik pada prosesor ultrasonik UP100H
Pengaturan Sonoelektrolisis 1 – Sel Tidak Terbagi tipe-H
Pengaturan menggunakan asam sulfat encer (H2SO4, 1.0M). Sel tak terbagi tipe-H diisi dengan elektrolit. Sel ini dikenal sebagai Voltameter Hofmann. Ini memiliki tiga silinder kaca tegak yang bergabung. Silinder bagian dalam terbuka di bagian atas untuk memungkinkan pengisian dengan elektrolit. Membuka katup di bagian atas tabung luar memungkinkan gas keluar selama pengisian. Dalam sel elektrolitik, elektroda disegel oleh cincin karet dan direndam terbalik ke dalam larutan air yang diasamkan. Elektroda anoda positif terbuat dari karbon (8mm). Katoda negatif adalah sonoelektroda ultrasonik titanium (10mm, sonotrode luas permukaan tinggi khusus, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Sonoelektroda titanium dan elektroda karbon bersifat lembam. Elektrolisis hanya akan terjadi ketika listrik dilewatkan melalui larutan asam sulfat encer. Oleh karena itu, anoda karbon dan katoda titanium dihubungkan ke catu daya tegangan konstan (arus searah).
Gas hidrogen dan gas oksigen yang dihasilkan dalam elektrolisis asam sulfat encer dikumpulkan dalam tabung luar bergradasi di atas setiap elektroda. Volume gas menggantikan elektrolit di tabung luar, dan volume gas tambahan dapat diukur. Rasio teoritis volume gas adalah 2:1. Selama elektrolisis, hanya air yang dikeluarkan dari elektrolit sebagai gas hidrogen dan gas oksigen. Oleh karena itu, konsentrasi asam sulfat encer sedikit meningkat selama elektrolisis.
Video di bawah ini menunjukkan sonoelektrolisis asam sulfat encer menggunakan ultrasonikasi berdenyut (100% amplitudo, mode siklus, 0,2 detik aktif, 0,8 detik mati). Kedua tes dijalankan pada 2.1V (DC, tegangan konstan).
Pengaturan Sonoelektrolisis 2 – Batch Sederhana
Bejana kaca diisi dengan elektrolit asam sulfat encer (H2SO4, 1.0M). Dalam sel elektrolit sederhana ini, elektroda direndam ke dalam larutan air yang diasamkan. Elektroda anoda positif terbuat dari karbon (8mm). Katoda negatif adalah sonoelektroda ultrasonik titanium (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolisis hanya akan terjadi ketika listrik dilewatkan melalui larutan asam sulfat encer. Oleh karena itu, anoda karbon dan katoda titanium dihubungkan ke catu daya tegangan konstan (arus searah). Elektroda titanium dan elektroda karbon lembam. Gas hidrogen dan gas oksigen yang dihasilkan dalam elektrolisis asam sulfat encer tidak dikumpulkan dalam pengaturan ini. Video di bawah ini menunjukkan pengaturan yang sangat sederhana ini dalam pengoperasian.
Caution: Video "duration" is missing
Apa yang Terjadi Selama Elektrolisis?
Ion hidrogen tertarik ke katoda negatif. Di sana, ion hidrogen atau molekul air direduksi menjadi molekul gas hidrogen oleh penguatan elektron. Akibatnya molekul gas hidrogen dibuang sebagai gas hidrogen. Elektrolisis banyak garam logam reaktif atau larutan asam menghasilkan hidrogen pada elektroda katoda negatif.
Ion sulfat negatif atau jejak ion hidroksida tertarik ke anoda positif. Ion sulfat itu sendiri terlalu stabil, sehingga tidak ada yang terjadi. Ion hidroksida atau molekul air dibuang dan dioksidasi di anoda untuk membentuk oksigen. Reaksi anoda positif ini adalah reaksi elektroda oksidasi oleh kehilangan elektron.
Mengapa kita menggunakan asam sulfat encer?
Air hanya mengandung konsentrasi kecil ion hidrogen dan ion hidroksida. Ini membatasi konduktivitas listrik. Konsentrasi tinggi ion hidrogen dan ion sulfat dari asam sulfat encer meningkatkan konduktivitas listrik elektrolit. Atau, Anda dapat menggunakan larutan elektrolit alkali seperti kalium hidroksida (KOH) atau natrium hidroksida (NAOH), dan air. Elektrolisis banyak larutan garam atau asam sulfat menghasilkan hidrogen pada katoda negatif dan oksigen pada anoda positif. Elektrolisis asam klorida atau garam klorida menghasilkan klorin di anoda.
Apa itu Elektrolisis?
Elektrolisis adalah alat untuk memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen dalam proses yang dikenal sebagai elektrolisis. Elektrolisis menggunakan listrik untuk menghasilkan gas hidrogen dan gas oksigen. Gas hidrogen dapat disimpan sebagai gas terkompresi atau cair. Hidrogen adalah pembawa energi untuk digunakan dalam sel bahan bakar hidrogen di mobil, kereta api, bus, atau truk.
Elektrolisis dasar mengandung katoda (muatan negatif) dan anoda (muatan positif) dan komponen periferal, seperti pompa, ventilasi, tangki penyimpanan, catu daya, pemisah, dan komponen lainnya. Elektrolisis air adalah reaksi elektrokimia yang terjadi di dalam elektrolisis. Anoda dan katoda ditenagai oleh arus searah dan air (H20) dibagi menjadi komponennya hidrogen (H2) dan oksigen (O2).
Literatur? Referensi
- 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.