Produksi Hidrogen secara Sonoelektrolitik dari Asam Sulfat Encer
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 konfigurasi eksperimen dengan anoda karbon dan katoda titanium dijelaskan di bawah ini. Untuk menunjukkan efek positif ultrasonikasi terhadap elektrolisis, katoda titanium yang digunakan merupakan sonoelektroda. Hal ini menambahkan getaran ultrasonik dan kavitasi pada produksi hidrogen dan oksigen secara elektrolitik dari asam sulfat encer. Kombinasi ultrasonik dengan listrik digunakan dalam sonoelektrokimia, sonoelektrolisis, dan sonoelektrosintesis.
Homogenizer ultrasonik Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) dilengkapi dengan peningkatan untuk sonoelektrokimia. Peningkatan ini memungkinkan sonotrode digunakan sebagai katoda atau anoda dalam proses elektrolitik. Untuk konfigurasi sonoelektrolitik industri, silakan klik di sini!
Katoda Sonoelektrik pada prosesor ultrasonik UP100H
Konfigurasi Sonoelektrolisis 1 – Sel Tipe H Tanpa Sekat
Konfigurasi ini menggunakan asam sulfat encer (H2SO4, 1,0M). Sel tipe H tanpa sekat diisi dengan elektrolit. Sel ini dikenal sebagai Voltameter Hofmann. Sel ini memiliki tiga silinder kaca tegak yang saling terhubung. Silinder tengah terbuka di bagian atas agar dapat diisi dengan elektrolit. Membuka katup di bagian atas tabung luar memungkinkan gas keluar selama pengisian. Dalam sel elektrolitik, elektroda disegel dengan cincin karet dan dicelupkan secara terbalik ke dalam larutan air yang diasamkan. Elektroda anoda positif terbuat dari karbon (8mm). Katoda negatif merupakan sonoelektroda ultrasonik titanium (10mm, sonotrode khusus dengan luas permukaan tinggi, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Sonoelektroda titanium dan elektroda karbon bersifat inert. Elektrolisis hanya berlangsung ketika listrik dialirkan melalui larutan asam sulfat encer. Oleh karena itu, anoda karbon dan katoda titanium dihubungkan ke catu daya bertegangan konstan (arus searah).
Gas hidrogen dan gas oksigen yang dihasilkan dalam elektrolisis asam sulfat encer dikumpulkan dalam tabung luar berskala di atas masing-masing elektroda. Volume gas mendesak elektrolit dalam tabung luar, dan volume gas tambahan dapat diukur. Rasio teoretis 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 berpulsa (amplitudo 100%, mode siklus, aktif selama 0,2 detik, nonaktif selama 0,8 detik). Kedua pengujian dijalankan pada 2,1V (DC, tegangan konstan).
Konfigurasi Sonoelektrolisis 2 – Batch Sederhana
Sebuah bejana kaca diisi dengan elektrolit berupa asam sulfat encer (H2SO4, 1,0M). Dalam sel elektrolitik sederhana ini, elektroda dicelupkan ke dalam larutan air yang diasamkan. Elektroda anoda positif terbuat dari karbon (8mm). Katoda negatif merupakan sonoelektroda ultrasonik titanium (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolisis hanya berlangsung ketika listrik dialirkan melalui larutan asam sulfat encer. Oleh karena itu, anoda karbon dan katoda titanium dihubungkan ke catu daya bertegangan konstan (arus searah). Elektroda titanium dan elektroda karbon bersifat inert. Gas hidrogen dan gas oksigen yang dihasilkan dalam elektrolisis asam sulfat encer tidak dikumpulkan dalam konfigurasi ini. Video di bawah ini menunjukkan konfigurasi yang sangat sederhana ini saat beroperasi.
Apa yang Terjadi Selama Elektrolisis?
Ion hidrogen tertarik ke katoda negatif. Di sana, ion hidrogen atau molekul air direduksi menjadi molekul gas hidrogen dengan menerima elektron. Akibatnya, molekul gas hidrogen dilepaskan sebagai gas hidrogen. Elektrolisis berbagai garam logam reaktif atau larutan asam menghasilkan hidrogen pada elektroda katoda negatif.
Ion sulfat negatif atau ion hidroksida dalam jumlah renik tertarik ke anoda positif. Ion sulfat itu sendiri terlalu stabil sehingga tidak terjadi apa-apa. Ion hidroksida atau molekul air dilepaskan dan dioksidasi pada anoda untuk membentuk oksigen. Reaksi pada anoda positif ini merupakan reaksi oksidasi elektroda melalui pelepasan elektron.
Mengapa Kita Menggunakan Asam Sulfat Encer?
Air hanya mengandung ion hidrogen dan ion hidroksida dalam konsentrasi yang sangat kecil. Hal ini membatasi konduktivitas listrik. Konsentrasi tinggi ion hidrogen dan ion sulfat dari asam sulfat encer meningkatkan konduktivitas listrik elektrolit. Sebagai alternatif, Anda dapat menggunakan larutan elektrolit basa seperti kalium hidroksida (KOH) atau natrium hidroksida (NAOH), serta air. Elektrolisis berbagai larutan garam atau asam sulfat menghasilkan hidrogen pada katoda negatif dan oksigen pada anoda positif. Elektrolisis asam klorida atau garam klorida menghasilkan klorin pada anoda.
Apa Itu Elektroliser?
Elektroliser adalah perangkat untuk memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen dalam proses yang dikenal sebagai elektrolisis. Elektroliser menggunakan listrik untuk menghasilkan gas hidrogen dan gas oksigen. Gas hidrogen dapat disimpan sebagai gas terkompresi atau gas yang dicairkan. Hidrogen merupakan pembawa energi untuk digunakan dalam sel bahan bakar hidrogen pada mobil, kereta api, bus, atau truk.
Elektroliser dasar terdiri atas katoda (bermuatan negatif) dan anoda (bermuatan positif) serta komponen pendukung, seperti pompa, ventilasi, tangki penyimpanan, catu daya, pemisah, dan komponen lainnya. Elektrolisis air merupakan reaksi elektrokimia yang berlangsung di dalam elektroliser. Anoda dan katoda dialiri arus searah dan air (H20) diuraikan menjadi komponen penyusunnya, yaitu 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.