Sonoelektrolytisk väteproduktion från utspädd svavelsyra
Elektrolys av utspädd svavelsyra producerar vätgas och syrgas. Ultraljud minskar diffusionsskiktets tjocklek vid elektrodens yta och förbättrar massöverföringen under elektrolys. Ultraljud kan öka vätgasproduktionen i den elektrolytiska cellen, avsevärt.
Två experimentella uppställningar med en kolanod och en titankatod beskrivs nedan. För att demonstrera de positiva effekterna av ultraljud på elektrolysen är titankatoden en sonoelektrod. Detta tillför ultraljudsvibrationer och kavitation till den elektrolytiska produktionen av väte och syre från utspädd svavelsyra. Kombinationen av ultraljud med elektricitet används inom sonoelektrokemi, sonoelektrolys och sonoelektrosyntes.
Hielscher ultraljudshomogenisator UP100H (100 watt, 30kHz) är utrustad med en sonoelektrokemisk uppgradering. Detta gör det möjligt att använda sonotroden som en katod eller anod i en elektrolytisk process. För industriella sonoelektrolytiska inställningar, klicka här!
Sonoelektrisk katod på UP100H ultraljudsprocessor
Inställning av sonoelektrolys 1 – Odelad cell av H-typ
Installationen använder utspädd svavelsyra (H2SO4, 1.0M). En odelad cell av H-typ är fylld med elektrolyten. Denna cell är känd som en Hofmann Voltameter. Den har tre sammanfogade upprättstående glascylindrar. Den inre cylindern är öppen upptill för att möjliggöra påfyllning med elektrolyt. Genom att öppna ventilerna i toppen av de yttre rören kan eventuell gas komma ut under påfyllningen. I den elektrolytiska cellen förseglas elektroderna av gummiringar och sänks upp och ner i lösningen av surgjort vatten. Den positiva anodelektroden är gjord av kol (8 mm). Den negativa katoden är en ultraljudssonoelektrod av titan (10 mm, speciell sonotrode med hög ytarea, Hielscher UP100H, 100 watt, 30 kHz). Sonoelektroden av titan och kolelektroden är inerta. Elektrolys kommer endast att ske när elektricitet leds genom den utspädda svavelsyralösningen. Därför är kolanoden och en titankatod anslutna till en strömförsörjning med konstant spänning (likström).
Vätgasen och syrgasen som produceras vid elektrolys av den utspädda svavelsyran samlas upp i de graderade ytterrören ovanför varje elektrod. Gasvolymen förskjuter elektrolyten i de yttre rören, och volymen av den extra gasen kan mätas. Det teoretiska förhållandet mellan gasvolymen är 2:1. Under elektrolysen avlägsnas endast vatten från elektrolyten som vätgas och syrgas. Därför stiger koncentrationen av den utspädda svavelsyran något under elektrolysen.
Videon nedan visar sonoelektrolys av utspädd svavelsyra med hjälp av pulserande ultraljud (100% amplitud, cykelläge, 0,2 sekunder på, 0,8 sekunder av). Båda testerna kördes vid 2,1 V (DC, konstant spänning).
Inställning av sonoelektrolys 2 – Enkel batch
Ett glaskärl fylls med en elektrolyt av utspädd svavelsyra (H2SO4, 1,0M). I denna enkla elektrolytiska cell sänks elektroderna ner i en lösning av det försurade vattnet. Den positiva anodelektroden är gjord av kol (8 mm). Den negativa katoden är en ultraljudssonoelektrod av titan (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30 kHz). Elektrolys kommer endast att ske när elektricitet leds genom den utspädda svavelsyralösningen. Därför är kolanoden och en titankatod anslutna till en strömförsörjning med konstant spänning (likström). Titanelektroden och kolelektroden är inerta. Vätgasen och syrgasen som produceras vid elektrolys av den utspädda svavelsyran samlas inte in i denna uppställning. Videon nedan visar denna mycket enkla installation i drift.
Vad händer under elektrolys?
Vätejonerna attraheras av den negativa katoden. Där reduceras vätejonen eller vattenmolekylerna till vätgasmolekyler genom en elektronförstärkning. Som ett resultat släpps vätgasmolekyler ut som vätgas. Elektrolysen av många reaktiva metallsalter eller syralösningar producerar väte vid den negativa katodelektroden.
De negativa sulfatjonerna eller spåren av hydroxidjoner attraheras till den positiva anoden. Sulfatjonen i sig är för stabil, så att ingenting händer. Hydroxidjoner eller vattenmolekyler släpps ut och oxideras vid anoden för att bilda syre. Denna positiva anodreaktion är en oxidationselektrodreaktion genom en elektronförlust.
Varför använder vi utspädd svavelsyra?
Vatten innehåller endast små koncentrationer av vätejoner och hydroxidjoner. Detta begränsar den elektriska ledningsförmågan. Höga koncentrationer av vätejoner och sulfatjoner från den utspädda svavelsyran förbättrar elektrolytens elektriska ledningsförmåga. Alternativt kan du använda alkalisk elektrolytlösning såsom kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NAOH) och vatten. Elektrolysen av många lösningar av salter eller svavelsyra producerar väte vid den negativa katoden och syre vid den positiva anoden. Elektrolysen av saltsyra eller kloridsalter producerar klor vid anoden.
Vad är en elektrolysör?
En elektrolysör är en anordning för att separera vatten i väte och syre i en process som kallas elektrolys. Elektrolysören använder elektricitet för att producera vätgas och syrgas. Vätgasen kan lagras som komprimerad eller flytande gas. Vätgas är en energibärare för användning i vätgasbränsleceller i bilar, tåg, bussar eller lastbilar.
En grundläggande elektrolysör innehåller en katod (negativ laddning) och en anod (positiv laddning) och perifera komponenter, såsom pumpar, ventiler, lagringstankar, en strömförsörjning, en separator och andra komponenter. Vattenelektrolys är en elektrokemisk reaktion som sker i elektrolysören. Anoden och katoden drivs av en likström och vattnet (H20) delas upp i dess beståndsdelar väte (H2) och syre (O2).
Litteratur / Referenser
- 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.