Sono-elektrolytische waterstofproductie uit verdund zwavelzuur

Bij elektrolyse van verdund zwavelzuur ontstaat waterstofgas en zuurstofgas. Ultrasoonbehandeling vermindert de dikte van de diffusielaag aan het oppervlak van de elektrode en verbetert de massaoverdracht tijdens de elektrolyse. Ultrasoonbehandeling kan de productie van waterstofgas in de elektrolytische cel aanzienlijk verhogen.

Twee experimentele opstellingen met een koolstofanode en een titanium kathode worden hieronder beschreven. Om de positieve effecten van ultrasoonbehandeling op de elektrolyse aan te tonen, is de titaniumkathode een sono-elektrode. Deze voegt ultrasone trillingen en cavitatie toe aan de elektrolytische productie van waterstof en zuurstof uit verdund zwavelzuur. De combinatie van ultrasoon met elektriciteit wordt gebruikt in de sono-elektrochemie, de sono-elektrolyse en de sono-elektrosynthese.
De Hielscher ultrasoon homogenisator UP100H (100 watt, 30kHz) is uitgerust met een sono-elektrochemische upgrade. Dit maakt het mogelijk om de sonotrode te gebruiken als kathode of anode in een elektrolytisch proces. Voor industriële sono-elektrolytische opstellingen, klik hier!

Sono-elektrolyse-opstelling 1 – H-type Ongedeelde cel

De opstelling maakt gebruik van verdund zwavelzuur (H2SO4, 1,0M). Een ongedeelde cel van het H-type wordt met de elektrolyt gevuld. Deze cel staat bekend als een Hofmann-voltameter. Hij bestaat uit drie samengevoegde rechtopstaande glazen cilinders. De binnenste cilinder is aan de bovenkant open om met elektrolyt te kunnen worden gevuld. Door de kleppen aan de bovenkant van de buitenste buizen te openen, kan eventueel gas ontsnappen tijdens het vullen. In de elektrolytische cel worden de elektroden afgedicht met rubberen ringen en omgekeerd ondergedompeld in de oplossing van aangezuurd water. De positieve anode-elektrode is gemaakt van koolstof (8 mm). De negatieve kathode is een ultrasone sono-elektrode van titaan (10 mm, speciale sonotrode met groot oppervlak, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). De titanium sono-elektrode en de koolstofelektrode zijn inert. Elektrolyse vindt alleen plaats wanneer elektriciteit door de verdunde zwavelzuuroplossing wordt geleid. Daarom worden de koolstofanode en de titaniumkathode aangesloten op een constante spanningsbron (gelijkstroom).
Het waterstofgas en het zuurstofgas die bij de elektrolyse van het verdunde zwavelzuur worden geproduceerd, worden opgevangen in de gegradueerde buitenbuizen boven elke elektrode. Het gasvolume verdringt het elektrolyt in de buitenbuizen, en het volume van het bijkomende gas kan worden gemeten. De theoretische verhouding van het gasvolume is 2:1. Tijdens de elektrolyse wordt alleen water uit de elektrolyt verwijderd in de vorm van waterstofgas en zuurstofgas. Vandaar dat de concentratie van het verdunde zwavelzuur tijdens de elektrolyse licht stijgt.
De video hieronder toont de sono-elektrolyse van verdund zwavelzuur met gepulseerde ultrasoonbehandeling (100% amplitude, cyclusmodus, 0,2 seconden aan, 0,8 seconden uit). Beide tests werden uitgevoerd bij 2,1 V (gelijkstroom, constante spanning).

Sono-elektrolyse-opstelling 2 – Eenvoudige Batch

Een glazen vat is gevuld met een elektrolyt van verdund zwavelzuur (H2SO4, 1,0M). In deze eenvoudige elektrolytische cel worden de elektroden ondergedompeld in een oplossing van het aangezuurde water. De positieve anode-elektrode is gemaakt van koolstof (8 mm). De negatieve kathode is een titanium ultrasone sono-elektrode (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolyse vindt alleen plaats wanneer elektriciteit door de verdunde zwavelzuuroplossing wordt geleid. Daarom worden de koolstofanode en een titaniumkathode aangesloten op een constante spanningsbron (gelijkstroom). De titaniumelektrode en de koolstofelektrode zijn inert. Het waterstofgas en het zuurstofgas die bij de elektrolyse van het verdunde zwavelzuur ontstaan, worden in deze opstelling niet opgevangen. De video hieronder toont deze zeer eenvoudige opstelling in werking.

Wat gebeurt er tijdens elektrolyse?

De waterstofionen worden aangetrokken naar de negatieve kathode. Daar worden de waterstofionen of watermolecules gereduceerd tot waterstofgasmolecules door een elektronenaanwinst. Het resultaat is dat waterstofgasmoleculen worden afgevoerd als waterstofgas. De elektrolyse van vele reactieve metaalzouten of zure oplossingen 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. De hydroxide-ionen of watermoleculen worden ontladen en aan de anode geoxideerd tot zuurstof. Deze positieve anode reactie is een oxidatie-elektrode reactie door een elektronenverlies.

Waarom gebruiken we verdund zwavelzuur?

Water bevat slechts minieme concentraties waterstofionen en hydroxide-ionen. Dit beperkt het elektrisch geleidingsvermogen. Hoge concentraties waterstofionen en sulfaationen uit het verdunde zwavelzuur verbeteren het elektrisch geleidingsvermogen van de elektrolyt. Als alternatief kan men een alkalische elektrolytoplossing gebruiken, zoals kaliumhydroxide (KOH) of natriumhydroxide (NAOH), en water. De elektrolyse van vele oplossingen van zouten of zwavelzuur produceert waterstof aan de negatieve kathode en zuurstof aan de positieve anode. Bij de elektrolyse van zoutzuur of chloridezouten ontstaat chloor aan de anode.

Wat is een Electrolyzer?

Een elektrolytische cel is een apparaat om water te scheiden in waterstof en zuurstof in een proces dat elektrolyse wordt genoemd. De elektrolytische cel gebruikt elektriciteit om waterstofgas en zuurstofgas te produceren. Het waterstofgas kan worden opgeslagen als samengeperst of vloeibaar gas. Waterstof is een energiedrager voor gebruik in waterstofbrandstofcellen in auto's, treinen, bussen of vrachtwagens.
Een basiselektrolyse-eenheid bevat een kathode (negatieve lading) en een anode (positieve lading) en perifere onderdelen, zoals pompen, ontluchters, opslagtanks, een stroomvoorziening, een separator en andere componenten. De elektrolyse van water is een elektrochemische reactie die in de elektrolyse-installatie plaatsvindt. De anode en de kathode worden door gelijkstroom gevoed en het water (H20) wordt gesplitst in de componenten 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.