Producția de hidrogen sonoelectrolitic din acid sulfuric diluat
Electroliza acidului sulfuric diluat produce hidrogen gazos și oxigen gazos. Ultrasonication reduce grosimea stratului de difuzie la suprafața electrodului și îmbunătățește transferul de masă în timpul electrolizei. Ultrasonication poate crește ratele de producție a hidrogenului gazos în celula electrolitică, în mod semnificativ.
Două configurații experimentale cu un anod de carbon și un catod de titan sunt descrise mai jos. Pentru a demonstra efectele pozitive ale ultrasonication asupra electrolizei, catodul de titan este un sonoelectrod. Acest lucru adaugă vibrații cu ultrasunete și cavitație la producția electrolitică de hidrogen și oxigen din acid sulfuric diluat. Combinația de ultrasunete cu electricitate este utilizat în sonoelectrochimie, sonoelectroliză și sonoelectrosinteză.
Hielscher omogenizator cu ultrasunete UP100H (100 wați, 30kHz) este echipat cu un upgrade sonoelectrochimice. Acest lucru permite utilizarea sonotrodei ca un catod sau anod într-un proces electrolitic. Pentru configurații sonoelectrolitice industriale, vă rugăm să faceți clic aici!
Sonoelectric catod pe UP100H procesor cu ultrasunete
Configurarea sonoelectrolizei 1 – Celulă nedivizată de tip H
Configurația utilizează acid sulfuric diluat (H2SO4, 1.0M). O celulă nedivizată de tip H este umplută cu electrolit. Această celulă este cunoscută sub numele de Voltametru Hofmann. Are trei cilindri de sticlă alăturați. Cilindrul interior este deschis în partea superioară pentru a permite umplerea cu electrolit. Deschiderea supapelor din partea superioară a tuburilor exterioare permite oricărui gaz să scape în timpul umplerii. În celula electrolitică, electrozii sunt sigilați prin inele de cauciuc și scufundați cu capul în jos în soluția de apă acidulată. Electrodul anodic pozitiv este fabricat din carbon (8mm). Catodul negativ este un sonoelectrod cu ultrasunete din titan (10mm, sonotrod special suprafață mare, Hielscher UP100H, 100 wați, 30kHz). Sonoelectrodul de titan și electrodul de carbon sunt inerte. Electroliza va avea loc numai atunci când electricitatea este trecută prin soluția diluată de acid sulfuric. Prin urmare, anodul de carbon și un catod de titan sunt conectate la o sursă de alimentare cu tensiune constantă (curent continuu).
Hidrogenul gazos și oxigenul gazos produse în electroliza acidului sulfuric diluat sunt colectate în tuburile exterioare gradate de deasupra fiecărui electrod. Volumul de gaz deplasează electrolitul în tuburile exterioare și volumul gazului suplimentar poate fi măsurat. Raportul teoretic al volumului de gaz este de 2: 1. În timpul electrolizei, numai apa este îndepărtată din electrolit ca hidrogen gazos și oxigen gazos. Prin urmare, concentrația acidului sulfuric diluat crește ușor în timpul electrolizei.
Videoclipul de mai jos arată sonoelectroliza acidului sulfuric diluat folosind ultrasonication pulsat (amplitudine 100%, modul ciclu, 0,2 secunde pe, 0,8 secunde oprit). Ambele teste au fost rulate la 2,1V (DC, tensiune constantă).
Configurarea sonoelectrolizei 2 – Lot simplu
Un vas de sticlă este umplut cu un electrolit de acid sulfuric diluat (H2SO4, 1,0M). În această celulă electrolitică simplă, electrozii sunt scufundați într-o soluție de apă acidulată. Electrodul anodic pozitiv este fabricat din carbon (8mm). Catodul negativ este un sonoelectrod cu ultrasunete din titan (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wați, 30kHz). Electroliza va avea loc numai atunci când electricitatea este trecută prin soluția diluată de acid sulfuric. Prin urmare, anodul de carbon și un catod de titan sunt conectate la o sursă de alimentare cu tensiune constantă (curent continuu). Electrodul de titan și electrodul de carbon sunt inerte. Hidrogenul gazos și oxigenul gazos produse în electroliza acidului sulfuric diluat nu sunt colectate în această configurație. Videoclipul de mai jos arată această configurare foarte simplă în funcțiune.
Ce se întâmplă în timpul electrolizei?
Ionii de hidrogen sunt atrași de catodul negativ. Acolo, ionul de hidrogen sau moleculele de apă sunt reduse la molecule de hidrogen gazos printr-un câștig de electroni. Ca rezultat, moleculele de hidrogen gazos sunt descărcate ca hidrogen gazos. Electroliza multor săruri metalice reactive sau soluții acide produce hidrogen la electrodul catodic negativ.
Ionii negativi de sulfat sau urmele de ioni de hidroxid sunt atrase de anodul pozitiv. Ionul sulfat în sine este prea stabil, astfel încât să nu se întâmple nimic. Ionii de hidroxid sau moleculele de apă sunt descărcate și oxidate la anod pentru a forma oxigen. Această reacție anodică pozitivă este o reacție a electrodului de oxidare printr-o pierdere de electroni.
De ce folosim acid sulfuric diluat?
Apa conține numai concentrații infime de ioni de hidrogen și ioni de hidroxid. Acest lucru limitează conductivitatea electrică. Concentrațiile ridicate de ioni de hidrogen și ioni de sulfat din acidul sulfuric diluat îmbunătățesc conductivitatea electrică a electrolitului. Alternativ, puteți utiliza soluție alcalină de electroliți, cum ar fi hidroxid de potasiu (KOH) sau hidroxid de sodiu (NAOH) și apă. Electroliza multor soluții de săruri sau acid sulfuric produce hidrogen la catodul negativ și oxigen la anodul pozitiv. Electroliza acidului clorhidric sau a sărurilor de clorură produce clor la anod.
Ce este un electrolizor?
Un electrolizor este un dispozitiv pentru separarea apei în hidrogen și oxigen într-un proces cunoscut sub numele de electroliză. Electrolizorul utilizează electricitatea pentru a produce hidrogen gazos și oxigen gazos. Hidrogenul gazos poate fi stocat ca gaz comprimat sau lichefiat. Hidrogenul este un purtător de energie pentru utilizarea în pilele de combustie cu hidrogen în mașini, trenuri, autobuze sau camioane.
Un electrolizor de bază conține un catod (sarcină negativă) și un anod (sarcină pozitivă) și componente periferice, cum ar fi pompe, orificii, rezervoare de stocare, o sursă de alimentare, un separator și alte componente. Electroliza apei este o reacție electrochimică care are loc în electrolizor. Anodul și catodul sunt alimentate de un curent continuu, iar apa (H20) este împărțită în componentele sale hidrogen (H2) și oxigen (O2).
Literatură / Referințe
- 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.