Sonoelektrolytesch Waasserstoffproduktioun aus verdënntem Schwefelsäure
Elektrolyse vu verdënntem Schwefelsäure produzéiert Waasserstoffgas a Sauerstoffgas. Ultrasonication reduzéiert d'Diffusiounsschichtdicke op der Elektroden Uewerfläch a verbessert d'Masstransfer während der Elektrolyse. Ultrasonication kann Waasserstoffgas Produktiounsraten an der elektrolytescher Zell erhéijen, wesentlech.
Zwee experimentell Setups mat enger Kueleanode an enger Titankathode ginn hei ënnen beschriwwen. Fir déi positiv Auswierkunge vun der Ultraschall op der Elektrolyse ze demonstréieren, ass d'Titankathode eng Sonoelektrode. Dëst füügt Ultraschallvibrationen a Kavitatioun un d'elektrolytesch Produktioun vu Waasserstoff a Sauerstoff aus verdënntem Schwefelsäure. D'Kombinatioun vun Ultraschall mat Elektrizitéit gëtt an der Sonoelectrochemie, Sonoelectrolysis a Sonoelectrosynthesis benotzt.
Den Hielscher Ultraschallhomogenisator UP100H (100 Watt, 30kHz) ass mat engem sonoelektrochemeschen Upgrade ausgestatt. Dëst erlaabt d'Sonotrode als Kathode oder Anode an engem elektrolytesche Prozess ze benotzen. Fir industriell sonoelectrolytic Setups, klickt w.e.g. hei!
Sonoelectric Cathode op UP100H Ultrasonic Prozessor
Sonoelektrolyse Setup 1 – H-Typ Undivided Zell
De Setup benotzt verdënntem Schwefelsäure (H2SO4, 1.0M). Eng H-Typ ongedeelt Zell ass mam Elektrolyt gefëllt. Dës Zell ass bekannt als Hofmann Voltameter. Et huet dräi verbonne oprecht Glaszylinder. Den banneschten Zylinder ass uewen op fir d'Füllung mat Elektrolyt z'erméiglechen. D'Ouverture vun de Ventile am Top vun den äusseren Réier erlaabt all Gas während der Füllung ze flüchten. An der elektrolytescher Zell sinn d'Elektroden duerch Gummi-Réng versiegelt an ëmgedréint an d'Léisung vu sauerem Waasser gegoss. Déi positiv Anodeelektrode ass aus Kuelestoff (8mm). Déi negativ Kathode ass eng Titan Ultraschall Sonoelectrode (10mm, speziell Héichfläch Sonotrode, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30kHz). D'Titan Sonoelectrode an d'Kuelestoffelektrode sinn inert. Elektrolyse wäert nëmme stattfannen wann Elektrizitéit duerch déi verdënntem Schwefelsäureléisung passéiert ass. Dofir sinn d'Kuelestoffanode an eng Titankathode mat enger konstanter Spannungsversuergung verbonnen (Gläichstroum).
De Waasserstoffgas an de Sauerstoffgas, deen an der Elektrolyse vun der verdënnter Schwefelsäure produzéiert gëtt, gëtt an de graduéierten äusseren Réier iwwer all Elektrode gesammelt. De Gasvolumen verdrängt den Elektrolyt an de baussenzege Réier, an de Volume vum zousätzleche Gas kann gemooss ginn. Den theoreteschen Verhältnis vum Gasvolumen ass 2:1. Wärend der Elektrolyse gëtt nëmme Waasser aus dem Elektrolyt als Waasserstoffgas a Sauerstoffgas geläscht. Dofir klëmmt d'Konzentratioun vun der verdënnter Schwefelsäure liicht wärend der Elektrolyse.
De Video hei ënnen weist d'Sonoelektrolyse vu verdënntem Schwefelsäure mat gepulster Ultraschall (100% Amplitude, Zyklusmodus, 0,2 Sekonnen op, 0,8 Sekonnen aus). Béid Tester goufen op 2.1V (DC, konstante Spannung) lafen.
Sonoelektrolyse Setup 2 – Einfach Batch
E Glasbehälter ass mat engem Elektrolyt vu verdënnter Schwefelsäure (H2SO4, 1,0M) gefëllt. An dëser einfacher elektrolytescher Zell ginn d'Elektroden an eng Léisung vum sauerem Waasser ënnerdaucht. Déi positiv Anodeelektrode ass aus Kuelestoff (8mm). Déi negativ Kathode ass eng Titan Ultraschall Sonoelectrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30kHz). Elektrolyse wäert nëmme stattfannen wann Elektrizitéit duerch déi verdënntem Schwefelsäureléisung passéiert ass. Dofir sinn d'Kuelestoffanode an eng Titankathode mat enger konstanter Spannungsversuergung verbonnen (Gläichstroum). D'Titanelektrode an d'Kuelestoffelektrode sinn inert. De Waasserstoffgas an de Sauerstoffgas, deen an der Elektrolyse vun der verdënnter Schwefelsäure produzéiert gëtt, gëtt net an dësem Setup gesammelt. De Video hei ënnen weist dëse ganz einfache Setup an der Operatioun.
Wat geschitt während der Elektrolyse?
D'Waasserstoffione ginn un déi negativ Kathode ugezunn. Do ginn d'Waasserstoffion oder d'Waassermoleküle duerch en Elektronegewënn op Waasserstoffgasmoleküle reduzéiert. Als Resultat ginn Waasserstoffgasmoleküle als Waasserstoffgas entlooss. D'Elektrolyse vu ville reaktiven Metallsalze oder Säureléisungen produzéiere Waasserstoff op der negativer Kathodeelektrode.
Déi negativ Sulphat-Ionen oder d'Spure vun Hydroxid-Ionen ginn op déi positiv Anode ugezunn. De Sulfat-Ion selwer ass ze stabil, sou datt näischt geschitt. Hydroxidionen oder Waassermoleküle ginn entlooss an an der Anode oxidéiert fir Sauerstoff ze bilden. Dës positiv Anoderaktioun ass eng Oxidatiounselektrodereaktioun duerch en Elektroneverloscht.
Firwat benotze mir verdënntem Schwefelsäure?
Waasser enthält nëmme kleng Konzentratioune vu Waasserstoffionen an Hydroxidionen. Dëst limitéiert d'elektresch Konduktivitéit. Héich Konzentratioune vu Waasserstoffionen a Sulfationen aus der verdënnter Schwefelsäure verbesseren d'elektresch Konduktivitéit vum Elektrolyt. Alternativ kënnt Dir alkalesch Elektrolytléisung wéi Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NAOH) a Waasser benotzen. D'Elektrolyse vu ville Léisunge vu Salzer oder Schwefelsäure produzéiert Waasserstoff op der negativer Kathode a Sauerstoff op der positiver Anode. D'Elektrolyse vu Salzsäure oder Chlorsalze produzéiert Chlor an der Anode.
Wat ass en Elektrolyzer?
En Elektrolyzer ass en Apparat fir Waasser a Waasserstoff a Sauerstoff ze trennen an engem Prozess bekannt als Elektrolyse. Den Elektrolyzer benotzt Stroum fir Waasserstoffgas a Sauerstoffgas ze produzéieren. De Waasserstoffgas kann als kompriméiert oder flësseg Gas gelagert ginn. Waasserstoff ass en Energiedréier fir an der Waasserstoff Brennstoffzell an Autoen, Zich, Bussen oder Camionen ze benotzen.
E Basiselektrolysator enthält eng Kathode (negativ Ladung) an eng Anode (positiv Ladung) a Peripheriekomponenten, wéi Pompelen, Vents, Späicherbehälter, eng Energieversuergung, e Separator an aner Komponenten. Waasserelektrolyse ass eng elektrochemesch Reaktioun déi am Elektrolyzer geschitt. D'Anode an d'Kathode ginn duerch en Gläichstroum ugedriwwen an d'Waasser (H20) gëtt a seng Komponenten Waasserstoff (H2) a Sauerstoff (O2) opgedeelt.
Literatur / Referenzen
- 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.