Sono-elektrolytische waterstofproductie uit verdund zwavelzuur
Elektrolyse van verdund zwavelzuur produceert waterstofgas en zuurstofgas. Sonicatie vermindert de dikte van de diffusielaag aan het elektrodeoppervlak en verbetert de massaoverdracht tijdens de elektrolyse. Sonicatie kan de productiesnelheid van waterstofgas in de elektrolytische cel aanzienlijk verhogen.
Hieronder worden twee experimentele opstellingen met een koolstofanode en een titaniumkathode beschreven. Om de positieve effecten van sonicatie op de elektrolyse aan te tonen, is de titaniumkathode een sono-elektrode. Dit voegt ultrasone trillingen en cavitatie toe aan de elektrolytische productie van waterstof en zuurstof uit verdund zwavelzuur. De combinatie van ultrasoon geluid met elektriciteit wordt gebruikt bij sono-elektrochemie, sono-elektrolyse en sono-elektrosynthese.
De ultrasone homogenisator UP100H van Hielscher (100 watt, 30kHz) is uitgerust met een sono-elektrochemische upgrade. Hierdoor kan de sonotrode als kathode of anode in een elektrolytisch proces worden gebruikt. Klik hier voor industriële opstellingen voor sono-elektrolyse!
Sono-elektrische kathode op de ultrasone processor UP100H
Sono-elektrolyseopstelling 1 – Ongedeelde H-cel
De opstelling gebruikt verdund zwavelzuur (H2SO4, 1,0M). Een ongedeelde H-cel wordt gevuld met de elektrolyt. Deze cel staat bekend als een Hofmann-voltameter. Hij heeft drie met elkaar verbonden rechtopstaande glazen cilinders. De binnenste cilinder is aan de bovenkant open om deze met elektrolyt te kunnen vullen. Door de ventielen bovenaan de buitenste buizen te openen, kan eventueel aanwezig gas tijdens het vullen ontsnappen. In de elektrolytische cel zijn de elektroden afgedicht met rubberen ringen en ondersteboven ondergedompeld in de oplossing van aangezuurd water. De positieve anode-elektrode is gemaakt van koolstof (8mm). De negatieve kathode is een ultrasone sono-elektrode van titanium (10mm, speciale sonotrode met een groot oppervlak, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). De titanium sono-elektrode en de koolstofelektrode zijn inert. Elektrolyse vindt alleen plaats wanneer er elektrische stroom door de verdunde zwavelzuuroplossing wordt geleid. Daarom zijn de koolstofanode en een titaniumkathode aangesloten op een voeding met constante spanning (gelijkstroom).
Het waterstofgas en het zuurstofgas die bij de elektrolyse van het verdunde zwavelzuur worden geproduceerd, worden opgevangen in de buitenste buizen met schaalverdeling boven elke elektrode. Het gasvolume verdringt de elektrolyt in de buitenste buizen, en het volume van het extra gas kan worden gemeten. De theoretische verhouding van de gasvolumes is 2:1. Tijdens de elektrolyse wordt alleen water uit de elektrolyt verwijderd in de vorm van waterstofgas en zuurstofgas. Daardoor stijgt de concentratie van het verdunde zwavelzuur tijdens de elektrolyse licht.
De onderstaande video toont de sono-elektrolyse van verdund zwavelzuur met gepulste sonicatie (100% amplitude, cyclusmodus, 0,2 seconden aan, 0,8 seconden uit). Beide proeven werden uitgevoerd bij 2,1V (gelijkstroom, constante spanning).
Sono-elektrolyseopstelling 2 – Eenvoudige batch
Een glazen vat wordt gevuld met een elektrolyt van verdund zwavelzuur (H2SO4, 1,0M). In deze eenvoudige elektrolytische cel worden de elektroden ondergedompeld in een oplossing van aangezuurd water. De positieve anode-elektrode is gemaakt van koolstof (8mm). De negatieve kathode is een ultrasone sono-elektrode van titanium (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolyse vindt alleen plaats wanneer er elektrische stroom door de verdunde zwavelzuuroplossing wordt geleid. Daarom zijn de koolstofanode en een titaniumkathode aangesloten op een voeding met constante spanning (gelijkstroom). De titaniumelektrode en de koolstofelektrode zijn inert. Het waterstofgas en het zuurstofgas die bij de elektrolyse van het verdunde zwavelzuur worden geproduceerd, worden in deze opstelling niet opgevangen. De onderstaande video toont deze zeer eenvoudige opstelling in werking.
Wat gebeurt er tijdens elektrolyse?
De waterstofionen worden aangetrokken door de negatieve kathode. Daar worden de waterstofionen of watermoleculen door opname van elektronen gereduceerd tot waterstofgasmoleculen. Als gevolg daarvan komen waterstofgasmoleculen vrij als waterstofgas. De elektrolyse van veel reactieve metaalzouten of zuuroplossingen produceert waterstof aan de negatieve kathode-elektrode.
De negatieve sulfaationen of de sporen van hydroxide-ionen worden aangetrokken door de positieve anode. Het sulfaation zelf is te stabiel, zodat er niets gebeurt. Hydroxide-ionen of watermoleculen worden aan de anode ontladen en geoxideerd tot zuurstof. Deze reactie aan de positieve anode is een oxidatiereactie aan de elektrode door verlies van elektronen.
Waarom gebruiken we verdund zwavelzuur?
Water bevat slechts zeer geringe concentraties waterstofionen en hydroxide-ionen. Dit beperkt de elektrische geleidbaarheid. Hoge concentraties waterstofionen en sulfaationen uit het verdunde zwavelzuur verbeteren de elektrische geleidbaarheid van de elektrolyt. Als alternatief kunt u een alkalische elektrolytoplossing, zoals kaliumhydroxide (KOH) of natriumhydroxide (NAOH), en water gebruiken. De elektrolyse van veel oplossingen van zouten of zwavelzuur produceert waterstof aan de negatieve kathode en zuurstof aan de positieve anode. De elektrolyse van zoutzuur of chloridezouten produceert chloor aan de anode.
Wat is een elektrolyser?
Een elektrolyser is een apparaat dat water scheidt in waterstof en zuurstof via een proces dat elektrolyse wordt genoemd. De elektrolyser gebruikt elektriciteit om waterstofgas en zuurstofgas te produceren. Het waterstofgas kan worden opgeslagen als gecomprimeerd of vloeibaar gemaakt gas. Waterstof is een energiedrager voor gebruik in een waterstofbrandstofcel in auto’s, treinen, bussen of vrachtwagens.
Een eenvoudige elektrolyser bevat een kathode (negatieve lading) en een anode (positieve lading) en randcomponenten, zoals pompen, ontluchtingsopeningen, opslagtanks, een voeding, een separator en andere componenten. Waterelektrolyse is een elektrochemische reactie die binnen de elektrolyser plaatsvindt. De anode en kathode worden gevoed met gelijkstroom en het water (H20) wordt gesplitst in de bestanddelen waterstof (H2) en zuurstof (O2).
Literatuur / Referenties
- 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.