Sonoelectrolytic Hydrogen Production from Dilute Sulfuric Acid

Elektroliza razblažene sumporne kiseline proizvodi vodonik gas i kiseonik. Ultrazvučnost smanjuje debljinu difuznog sloja na površini elektrode i poboljšava masovni prenos tokom elektrolize. Ultrazvučnost može značajno da poveća stopu proizvodnje vodonika u elektrolitičkoj ćeliji.

U nastavku su opisana dva eksperimentalna podešavanja sa ugljeničnom anodom i titanijumskom katodom. Da bi se pokazalo pozitivno dejstvo ultrazvučnosti na elektrolizu, titanijumska katoda je sonoelectrode. Ovo dodaje ultrazvučne vibracije i kavitaciju elektrolitičkoj proizvodnji vodonika i kiseonika od razblažene sumporne kiseline. Kombinacija ultrazvuka sa električnom energijom koristi se u sonoelektrohemiji, sonoelektrolizi i sonoelektrosintezi.
Hielscher ultrazvučni homogenizer UP100H (100 vati, 30kHz) opremljen je sonoelektrohemijskom nadogradnjom. Ovo omogućava korišćenje sonotroda kao katode ili anode u elektrolitičkom procesu. Za industrijska sonoelektrolitička podešavanja kliknite ovde!

Podešavanje sonoelektrolize 1 – Nepodeljena ćelija tipa H

U podešavanju se koristi razblažena sumporna kiselina (H2SO4, 1.0M). Nepodeljena ćelija tipa H ispunjena je elektrolitom. Ova жelija je poznata kao Hofman Voltametar. Ima tri spojena uspravna staklena cilindra. Unutrašnji cilindar je otvoren na vrhu da bi se omogućilo punjenje elektrolitom. Otvaranje ventila na vrhu vanvodnih cevi omogućava bilo kom gasu da pobegne tokom punjenja. U elektrolitičkoj ćeliji elektrode su zapečaćene gumenim prstenovima i uronjene naopačke u rastvor kisele vode. Pozitivna anodna elektroda je napravljena od ugljenika (8mm). Negativna katoda je titanijumski ultrazvučni sonoelectrode (10mm, specijalna površinska površina sonotrode, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Titanijum sonoelektod i ugljeniиna elektroda su inertni. Elektroliza će se odvijati samo kada struja prođe kroz razblaženi rastvor sumporne kiseline. Zbog toga su ugljenična anoda i titanijumska katoda povezani sa stalnim napajanjem napona (direktna struja).
Vodonik i kiseonik gas proizveden u elektrolizi razblažene sumporne kiseline sakupljaju se u diplomiranim vanvodnim cevima iznad svake elektrode. Zapremina gasa premešta elektrolit u vanvodne cevi, a zapremina dodatnog gasa može da se izmeri. Teoretski odnos zapremine gasa je 2:1. Tokom elektrolize, samo voda se uklanja iz elektrolita kao vodonik gas i kiseonik. Otuda koncentracija razblažene sumporne kiseline blago raste tokom elektrolize.
Video ispod prikazuje sonoelektrolizu razblažene sumporne kiseline koristeći pulsiranu ultrazvuku (100% amplitude, režim ciklusa, 0,2 sekunde na, 0,8 sekundi slobodno). Oba testa su izvršena na 2.1V (DC, konstantan napon).

Podešavanje sonoelektrolize 2 – Jednostavna grupa

Staklena posuda je ispunjena elektrolitom razblažene sumporne kiseline (H2SO4, 1.0M). U ovoj jednostavnoj elektrolitičkoj ćeliji, elektrode su uronjene u rastvor kisele vode. Pozitivna anodna elektroda je napravljena od ugljenika (8mm). Negativna katoda je titanijumski ultrazvučni sonoelectrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Elektroliza će se odvijati samo kada struja prođe kroz razblaženi rastvor sumporne kiseline. Zbog toga su ugljenična anoda i titanijumska katoda povezani sa stalnim napajanjem napona (direktna struja). Titanijumska elektroda i ugljeniиna elektroda su inertni. Vodonik i kiseonik gas proizveden u elektrolizi razblažene sumporne kiseline se ne sakupljaju u ovoj postavci. Video ispod prikazuje ovu veoma jednostavnu postavku u radu.

Šta se dešava tokom elektrolize?

Jone vodonika privlači negativna katoda. Tamo su molekuli vodonika ili vode svedeni na molekule vodonika po dobitku elektrona. Kao rezultat toga molekuli vodonika se ispuštaju kao vodonik. Elektroliza mnogih reaktivnih metalnih soli ili kiselih rastvora proizvodi vodonik kod negativne katodne elektrode.
Negativne jone sulfata ili tragove jona hidroksida privlači pozitivna anoda. Sam sulfatni jon je previše stabilan, tako da se ništa ne dešava. Molekuli hidroksida ili vode se ispuštaju i oksiduju u anodi da bi se formirao kiseonik. Ova pozitivna anodna reakcija je oksidaciona elektrodna reakcija zbog gubitka elektrona.

Zašto koristimo Dilute sumpornu kiselinu?

Voda sadrži minut koncentracije jona vodonika i hidroksida, samo. Ovo ograničava električnu provodljivost. Visoke koncentracije jona vodonika i sulfatnih jona iz razblažene sumporne kiseline poboljšavaju električnu provodljivost elektrolita. Druga mogućnost je da koristite alkalni elektrolit kao što su kalijum hidroksid (KOH) ili natrijum hidroksid (NAOH) i voda. Elektroliza mnogih rastvora soli ili sumporne kiseline proizvodi vodonik kod negativne katode i kiseonika u pozitivnoj anodi. Elektroliza hidrohlorne kiseline ili hloridne soli proizvodi hlor u anodi.

Šta je Elektrolizer?

Elektrolizer je uređaj za razdvajanje vode u vodonik i kiseonik u procesu poznatom kao elektroliza. Elektrolizer koristi struju za proizvodnju vodonika i gasa sa kiseonikom. Vodonik gas se može skladištiti kao komprimovani ili tečni gas. Vodonik je energetski nosač za upotrebu u vodonijskoj gorivnoj ćeliji u automobilima, vozovima, autobusima ili kamionima.
Osnovni elektrolizer sadrži katodu (negativno punjenje) i anodu (pozitivno punjenje) i periferne komponente, kao što su pumpe, ventili, rezervoari za skladištenje, napajanje, znak za razdvajanje i druge komponente. Elektroliza vode je elektrohemijska reakcija koja se javlja unutar elektrolize. Anoda i katoda se napajaju direktnom strujom i voda (H20) je podeljena na njene komponente vodonik (H2) i kiseonik (O2).

Literatura/reference

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.