Sono-elektrolytische productie van waterstof uit verdund zwavelzuur
Elektrolyse van verdund zwavelzuur produceert waterstofgas en zuurstofgas. Ultrasoon geluid vermindert de dikte van de diffusielaag aan het elektrodeoppervlak en verbetert de massaoverdracht tijdens elektrolyse. Ultrasoon kan de productie van waterstofgas in de elektrolytische cel aanzienlijk verhogen.
Twee experimentele opstellingen met een koolstofanode en een titaniumkathode worden hieronder beschreven. Om de positieve effecten van ultrasone trillingen op de elektrolyse aan te tonen, is de titanium kathode 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 met elektriciteit wordt gebruikt in sono-elektrochemie, sono-elektrolyse en sono-elektrosynthese.
De Hielscher ultrasone homogenisator UP100H (100 watt, 30 kHz) is uitgerust met een sono-elektrochemische upgrade. Hierdoor kan de sonotrode worden gebruikt als kathode of anode in een elektrolytisch proces. Klik hier voor industriële sono-elektrolytische opstellingen!
Sono-elektrische kathode op UP100H ultrasone processor
Sono-elektrolyse Opstelling 1 – H-type Onverdeelde Cel
De opstelling maakt gebruik van verdund zwavelzuur (H2SO4, 1,0M). Een onverdeelde cel van het H-type wordt gevuld met het elektrolyt. Deze cel staat bekend als een Hofmann Voltameter. Hij bestaat uit drie aan elkaar bevestigde rechtopstaande glazen cilinders. De binnenste cilinder is open aan de bovenkant zodat hij gevuld kan worden met elektrolyt. Door de kleppen aan de bovenkant van de buitenste buizen te openen, kan eventueel gas tijdens het vullen ontsnappen. In de elektrolytische cel worden de elektroden afgesloten met rubberen ringen en ondersteboven in de oplossing van aangezuurd water gedompeld. De positieve anode-elektrode is gemaakt van koolstof (8mm). De negatieve kathode is een titanium ultrasone sono-elektrode (10 mm, speciale sonotrode met een hoog oppervlak, Hielscher UP100H, 100 watt, 30 kHz). De titanium sono-elektrode en de koolstofelektrode zijn inert. Elektrolyse vindt alleen plaats wanneer elektriciteit door de verdunde zwavelzuuroplossing wordt geleid. Daarom zijn de koolstofanode en een titanium kathode aangesloten op een constante spanningsvoeding (gelijkstroom).
Het waterstofgas en het zuurstofgas die tijdens de elektrolyse van het verdunde zwavelzuur worden geproduceerd, worden opgevangen in de gegradueerde buitenbuizen 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 het gasvolume is 2:1. Tijdens de elektrolyse wordt alleen water uit de elektrolyt verwijderd in de vorm van waterstofgas en zuurstofgas. Daarom stijgt de concentratie van het verdunde zwavelzuur licht tijdens de elektrolyse.
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 testen werden uitgevoerd bij 2,1 V (DC, 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 (8mm). De negatieve kathode is een titanium ultrasone sono-elektrode (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30 kHz). Elektrolyse vindt alleen plaats wanneer elektriciteit door de verdunde zwavelzuuroplossing wordt geleid. Daarom worden de koolstofanode en een titanium kathode aangesloten op een constante spanningsvoeding (gelijkstroom). De titaniumelektrode en de koolstofelektrode zijn inert. Het waterstofgas en zuurstofgas die vrijkomen bij de elektrolyse van verdund zwavelzuur 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 door de negatieve kathode. Daar worden de waterstofionen of watermoleculen gereduceerd tot waterstofgasmoleculen door elektronenaanwinst. Als gevolg daarvan worden waterstofgasmoleculen als waterstofgas geloosd. De elektrolyse van veel 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. Hydroxide-ionen of watermoleculen worden ontladen en geoxideerd aan de anode om zuurstof te vormen. Deze positieve anode reactie is een oxidatie elektrode reactie door elektronenverlies.
Waarom gebruiken we verdund zwavelzuur?
Water bevat alleen minieme concentraties waterstof- en hydroxide-ionen. Dit beperkt de elektrische geleidbaarheid. Hoge concentraties waterstofionen en sulfaationen uit verdund zwavelzuur verbeteren de elektrische geleiding van de elektrolyt. Je kunt ook 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 elektrolytische cel?
Een elektrolytische cel is een apparaat dat water scheidt 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 basiselektrolyseapparaat bevat een kathode (negatieve lading) en een anode (positieve lading) en perifere onderdelen, zoals pompen, ontluchters, opslagtanks, een voeding, een separator en andere onderdelen. Waterelektrolyse is een elektrochemische reactie die plaatsvindt in de elektrolytische cel. De anode en kathode worden gevoed door een gelijkstroom 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.