Производство соноэлектролитического водорода из разбавленной серной кислоты
При электролизе разбавленной серной кислоты образуются газообразный водород и газообразный кислород. Ультразвук уменьшает толщину диффузионного слоя на поверхности электрода и улучшает массоперенос при электролизе. Ультразвуковая обработка может значительно увеличить скорость производства газообразного водорода в электролитической ячейке.
Ниже описаны две экспериментальные установки с углеродным анодом и титановым катодом. Чтобы продемонстрировать положительное влияние ультразвука на электролиз, титановый катод является соноэлектродом. Это добавляет ультразвуковые колебания и кавитацию к электролитическому производству водорода и кислорода из разбавленной серной кислоты. Сочетание ультразвука с электричеством используется в соноэлектрохимии, соноэлектролизе и соноэлектросинтезе.
Ультразвуковой гомогенизатор Hielscher UP100H (100 Вт, 30 кГц) оснащен соноэлектрохимической модернизацией. Это позволяет использовать сонотрод в качестве катода или анода в электролитическом процессе. Для получения информации о промышленных соноэлектролитических установках, пожалуйста, нажмите здесь!
Установка для соноэлектролиза 1 – Неразделенная ячейка H-типа
В установке используется разбавленная серная кислота (H2SO4, 1,0M). Неразделенная ячейка H-типа заполняется электролитом. Эта ячейка известна как вольтаметр Гофмана. Он имеет три соединенных вертикальных стеклянных цилиндра. Внутренний цилиндр открыт сверху, что позволяет заполнять его электролитом. Открытие клапанов в верхней части наружных труб позволяет газу выходить во время наполнения. В электролитической ячейке электроды герметизируются резиновыми кольцами и погружаются вверх ногами в раствор подкисленной воды. Электрод положительного анода изготовлен из углерода (8 мм). Отрицательный катод представляет собой титановый ультразвуковой соноэлектрод (10 мм, специальный сонотрод с большой площадью поверхности, Hielscher UP100H, 100 Вт, 30 кГц). Титановый соноэлектрод и угольный электрод инертны. Электролиз будет происходить только при прохождении электричества через разбавленный раствор серной кислоты. Поэтому углеродный анод и титановый катод подключаются к источнику питания постоянного напряжения (постоянного тока).
Газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся при электролизе разбавленной серной кислоты, собираются в градуированных наружных трубках над каждым электродом. Объем газа вытесняет электролит в наружных трубках, и объем дополнительного газа может быть измерен. Теоретическое соотношение объема газа составляет 2:1. Во время электролиза из электролита удаляется только вода в виде газообразного водорода и газообразного кислорода. Следовательно, концентрация разбавленной серной кислоты в процессе электролиза немного повышается.
На видео ниже показан соноэлектролиз разбавленной серной кислоты с помощью импульсного ультразвука (амплитуда 100%, циклический режим, 0,2 секунды включено, 0,8 секунды выключено). Оба теста проводились при напряжении 2,1 В (постоянный ток, постоянное напряжение).
Установка для соноэлектролиза 2 – Простая партия
Стеклянный сосуд заполняется электролитом разбавленной серной кислоты (H2SO4, 1,0M). В этой простой электролитической ячейке электроды погружаются в раствор подкисленной воды. Электрод положительного анода изготовлен из углерода (8 мм). Отрицательный катод представляет собой титановый ультразвуковой соноэлектрод (10 мм, MS10, Hielscher UP100H, 100 Вт, 30 кГц). Электролиз будет происходить только при прохождении электричества через разбавленный раствор серной кислоты. Поэтому углеродный анод и титановый катод подключаются к источнику питания постоянного напряжения (постоянного тока). Титановый электрод и угольный электрод инертны. Газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся при электролизе разбавленной серной кислоты, в этой установке не собираются. На видео ниже показана эта очень простая настройка в работе.
Что происходит во время электроэпиляции?
Ионы водорода притягиваются к отрицательному катодному. Там ионы водорода или молекулы воды восстанавливаются до молекул газообразного водорода за счет усиления электронов. В результате молекулы газообразного водорода выводятся в виде газообразного водорода. Электролиз многих активных солей металлов или растворов кислот приводит к образованию водорода на отрицательном катодном электроде.
Отрицательные сульфатные ионы или следы гидроксид-ионов притягиваются к положительному аноду. Сам по себе сульфат-ион слишком стабилен, так что ничего не происходит. Гидроксид-ионы или молекулы воды разряжаются и окисляются на аноде с образованием кислорода. Эта реакция с положительным анодом представляет собой окислительную электродную реакцию с потерей электронов.
Почему мы используем разбавленную серную кислоту?
Вода содержит только незначительные концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов. Это ограничивает электропроводность. Высокие концентрации ионов водорода и сульфат-ионов из разбавленной серной кислоты улучшают электропроводность электролита. В качестве альтернативы вы можете использовать раствор щелочного электролита, такой как гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NAOH), и воду. При электролизе многих растворов солей или серной кислоты образуется водород на отрицательном катоде и кислород на положительном аноде. В результате электролиза соляной кислоты или хлоридных солей на аноде образуется хлор.
Что такое электролизер?
Электролизер — это устройство для разделения воды на водород и кислород в процессе, известном как электролиз. Электролизер использует электричество для производства газообразного водорода и газообразного кислорода. Газообразный водород может храниться в виде сжатого или сжиженного газа. Водород является энергоносителем для использования в водородных топливных элементах в автомобилях, поездах, автобусах или грузовиках.
Базовый электролизер содержит катод (отрицательный заряд) и анод (положительный заряд), а также периферийные компоненты, такие как насосы, вентиляционные отверстия, резервуары для хранения, источник питания, сепаратор и другие компоненты. Электролиз воды — это электрохимическая реакция, происходящая внутри электролизера. Анод и катод питаются от постоянного тока, а вода (H20) расщепляется на составляющие: водород (H2) и кислород (O2).
Литература / Литература
- 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.