Получение водорода из разбавленной серной кислоты методом соноэлектролиза
При электролизе разбавленной серной кислоты образуются газообразные водород и кислород. Обработка ультразвуком уменьшает толщину диффузионного слоя на поверхности электрода и улучшает массоперенос во время электролиза. Обработка ультразвуком может значительно повысить скорость образования газообразного водорода в электролитической ячейке.
Ниже описаны две экспериментальные установки с углеродным анодом и титановым катодом. Для демонстрации положительного воздействия обработки ультразвуком на электролиз в качестве титанового катода используется соноэлектрод. Это добавляет ультразвуковые колебания и кавитацию к процессу электролитического получения водорода и кислорода из разбавленной серной кислоты. Сочетание ультразвука с электричеством используется в соноэлектрохимии, соноэлектролизе и соноэлектросинтезе.
Ультразвуковой гомогенизатор Hielscher UP100H (100 ватт, 30kHz) оснащён дополнительным оборудованием для соноэлектрохимии. Это позволяет использовать сонотрод в качестве катода или анода в электролитическом процессе. Чтобы узнать о промышленных установках для соноэлектролиза, нажмите здесь!
Соноэлектрический катод на ультразвуковом процессоре UP100H
Установка для соноэлектролиза 1 – Н-образная ячейка без разделения
В установке используется разбавленная серная кислота (H2SO4, 1,0M). Н-образная ячейка без разделения заполняется электролитом. Эта ячейка известна как вольтаметр Гофмана. Она состоит из трёх соединённых вертикальных стеклянных цилиндров. Средний цилиндр открыт сверху, что позволяет заполнять ячейку электролитом. Открытие клапанов в верхней части внешних трубок позволяет газу выходить во время заполнения. В электролитической ячейке электроды уплотнены резиновыми кольцами и погружены в раствор подкисленной воды в перевёрнутом положении. Положительный электрод, анод, изготовлен из углерода (8mm). Отрицательный катод представляет собой титановый ультразвуковой соноэлектрод (10mm, специальный сонотрод с большой площадью поверхности, Hielscher UP100H, 100 ватт, 30kHz). Титановый соноэлектрод и углеродный электрод инертны. Электролиз происходит только при прохождении электрического тока через раствор разбавленной серной кислоты. Поэтому углеродный анод и титановый катод подключены к источнику питания с постоянным напряжением (постоянный ток).
Газообразные водород и кислород, образующиеся при электролизе разбавленной серной кислоты, собираются в градуированных внешних трубках над каждым электродом. Газ вытесняет электролит во внешних трубках, и объём дополнительно образовавшегося газа можно измерить. Теоретическое соотношение объёмов газов составляет 2:1. Во время электролиза из электролита удаляется только вода в виде газообразных водорода и кислорода. Поэтому концентрация разбавленной серной кислоты во время электролиза немного повышается.
В видео ниже показан соноэлектролиз разбавленной серной кислоты с использованием импульсной обработки ультразвуком (амплитуда 100%, циклический режим, 0,2 секунды включено, 0,8 секунды выключено). Оба испытания проводились при 2,1V (постоянный ток, постоянное напряжение).
Установка для соноэлектролиза 2 – Простая периодическая обработка
Стеклянный сосуд заполняется электролитом из разбавленной серной кислоты (H2SO4, 1,0M). В этой простой электролитической ячейке электроды погружены в раствор подкисленной воды. Положительный электрод, анод, изготовлен из углерода (8mm). Отрицательный катод представляет собой титановый ультразвуковой соноэлектрод (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 ватт, 30kHz). Электролиз происходит только при прохождении электрического тока через раствор разбавленной серной кислоты. Поэтому углеродный анод и титановый катод подключены к источнику питания с постоянным напряжением (постоянный ток). Титановый электрод и углеродный электрод инертны. Газообразные водород и кислород, образующиеся при электролизе разбавленной серной кислоты, в этой установке не собираются. В видео ниже показана работа этой очень простой установки.
Что происходит во время электролиза?
Ионы водорода притягиваются к отрицательному катоду. Там ионы водорода или молекулы воды восстанавливаются до молекул газообразного водорода путём присоединения электронов. В результате молекулы водорода выделяются в виде газообразного водорода. При электролизе многих солей химически активных металлов или растворов кислот водород образуется на отрицательном электроде, катоде.
Отрицательные сульфат-ионы или следовые количества гидроксид-ионов притягиваются к положительному аноду. Сам сульфат-ион слишком стабилен, поэтому с ним ничего не происходит. Гидроксид-ионы или молекулы воды разряжаются и окисляются на аноде с образованием кислорода. Эта реакция на положительном аноде представляет собой электродную реакцию окисления с потерей электронов.
Почему мы используем разбавленную серную кислоту?
Вода содержит ионы водорода и гидроксид-ионы лишь в очень малых концентрациях. Это ограничивает электропроводность. Высокие концентрации ионов водорода и сульфат-ионов из разбавленной серной кислоты повышают электропроводность электролита. В качестве альтернативы можно использовать щелочной раствор электролита, например гидроксида калия (KOH) или гидроксида натрия (NAOH), и воду. При электролизе многих растворов солей или серной кислоты водород образуется на отрицательном катоде, а кислород – на положительном аноде. При электролизе соляной кислоты или хлоридных солей на аноде образуется хлор.
Что такое электролизёр?
Электролизёр – это устройство для разложения воды на водород и кислород в процессе, известном как электролиз. Электролизёр использует электричество для получения газообразных водорода и кислорода. Газообразный водород можно хранить в виде сжатого или сжиженного газа. Водород является энергоносителем для использования в водородных топливных элементах автомобилей, поездов, автобусов или грузовиков.
Простейший электролизёр содержит катод (отрицательный заряд), анод (положительный заряд) и периферийные компоненты, такие как насосы, газоотводы, резервуары для хранения, источник питания, сепаратор и другие компоненты. Электролиз воды – это электрохимическая реакция, протекающая внутри электролизёра. На анод и катод подаётся постоянный ток, и вода (H20) разлагается на составляющие её водород (H2) и кислород (O2).
Литература / Источники
- 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.