Seyreltik Sülfürik Asitten Sonoelektrolitik Hidrojen Üretimi
Seyreltik sülfürik asidin elektrolizi hidrojen gazı ve oksijen gazı üretir. Ultrasonikasyon, elektrot yüzeyindeki difüzyon tabakasının kalınlığını azaltır ve elektroliz sırasında kütle transferini iyileştirir. Ultrasonikasyon, elektrolitik hücredeki hidrojen gazı üretim hızlarını önemli ölçüde artırabilir.
Aşağıda, karbon anot ve titanyum katot içeren iki deney düzeneği açıklanmaktadır. Ultrasonikasyonun elektroliz üzerindeki olumlu etkilerini göstermek için titanyum katot bir sonoelektrot olarak tasarlanmıştır. Bu, seyreltik sülfürik asitten elektrolitik hidrojen ve oksijen üretimine ultrasonik titreşimler ve kavitasyon ekler. Ultrason ile elektriğin birleşimi sonoelektrokimya, sonoelektroliz ve sonoelektrosentezde kullanılır.
Hielscher UP100H ultrasonik homojenizatörü (100 watt, 30kHz), sonoelektrokimyasal bir yükseltme ile donatılmıştır. Bu, sonotrodun elektrolitik bir süreçte katot veya anot olarak kullanılmasına olanak tanır. Endüstriyel sonoelektrolitik düzenekler için lütfen buraya tıklayın!
UP100H ultrasonik işlemcisi üzerindeki sonoelektrik katot
Sonoelektroliz Düzeneği 1 – H Tipi Bölünmemiş Hücre
Düzenekte seyreltik sülfürik asit (H2SO4, 1,0M) kullanılır. H tipi bölünmemiş bir hücre elektrolitle doldurulur. Bu hücre, Hofmann voltametresi olarak bilinir. Birbirine bağlı üç dik cam silindiri vardır. Elektrolitle doldurulabilmesi için iç silindirin üst kısmı açıktır. Dış tüplerin üst kısmındaki vanaların açılması, doldurma sırasında gazların dışarı çıkmasına olanak tanır. Elektrolitik hücrede, elektrotların sızdırmazlığı kauçuk halkalarla sağlanır ve elektrotlar asitlendirilmiş su çözeltisine baş aşağı daldırılır. Pozitif anot elektrodu karbondan (8mm) yapılmıştır. Negatif katot, titanyumdan yapılmış ultrasonik bir sonoelektrottur (10mm, yüksek yüzey alanına sahip özel sonotrot, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Titanyum sonoelektrot ve karbon elektrot inerttir. Elektroliz yalnızca seyreltik sülfürik asit çözeltisinden elektrik geçirildiğinde gerçekleşir. Bu nedenle, karbon anot ve titanyum katot sabit gerilimli bir güç kaynağına (doğru akım) bağlanır.
Seyreltik sülfürik asidin elektrolizinde üretilen hidrojen gazı ve oksijen gazı, her elektrodun üzerindeki dereceli dış tüplerde toplanır. Gaz hacmi, dış tüplerdeki elektrolitin yerini alır ve ek gazın hacmi ölçülebilir. Gaz hacimlerinin teorik oranı 2:1’dir. Elektroliz sırasında elektrolitten yalnızca su, hidrojen gazı ve oksijen gazı olarak uzaklaştırılır. Dolayısıyla, seyreltik sülfürik asidin konsantrasyonu elektroliz sırasında hafifçe artar.
Aşağıdaki video, darbeli ultrasonikasyon (%100 genlik, çevrim modu, 0,2 saniye açık, 0,8 saniye kapalı) kullanılarak gerçekleştirilen seyreltik sülfürik asit sonoelektrolizini göstermektedir. Her iki test de 2,1V gerilimde (DC, sabit gerilim) gerçekleştirilmiştir.
Sonoelektroliz Düzeneği 2 – Basit Kesikli İşlem
Bir cam kap, seyreltik sülfürik asit elektroliti (H2SO4, 1,0M) ile doldurulur. Bu basit elektrolitik hücrede elektrotlar, asitlendirilmiş su çözeltisine daldırılır. Pozitif anot elektrodu karbondan (8mm) yapılmıştır. Negatif katot, titanyumdan yapılmış ultrasonik bir sonoelektrottur (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektroliz yalnızca seyreltik sülfürik asit çözeltisinden elektrik geçirildiğinde gerçekleşir. Bu nedenle, karbon anot ve titanyum katot sabit gerilimli bir güç kaynağına (doğru akım) bağlanır. Titanyum elektrot ve karbon elektrot inerttir. Seyreltik sülfürik asidin elektrolizinde üretilen hidrojen gazı ve oksijen gazı bu düzenekte toplanmaz. Aşağıdaki video, bu çok basit düzeneği çalışırken göstermektedir.
Elektroliz Sırasında Ne Olur?
Hidrojen iyonları negatif katoda çekilir. Burada hidrojen iyonu veya su molekülleri, elektron kazanarak hidrojen gazı moleküllerine indirgenir. Sonuç olarak hidrojen gazı molekülleri, hidrojen gazı olarak açığa çıkar. Birçok reaktif metal tuzunun veya asit çözeltisinin elektrolizi, negatif katot elektrodunda hidrojen üretir.
Negatif sülfat iyonları veya eser miktardaki hidroksit iyonları pozitif anoda çekilir. Sülfat iyonunun kendisi fazla kararlıdır, bu nedenle herhangi bir tepkime gerçekleşmez. Hidroksit iyonları veya su molekülleri anotta deşarj olur ve oksitlenerek oksijen oluşturur. Bu pozitif anot tepkimesi, elektron kaybıyla gerçekleşen bir oksidasyon elektrot tepkimesidir.
Neden Seyreltik Sülfürik Asit Kullanıyoruz?
Su, yalnızca çok düşük konsantrasyonlarda hidrojen iyonları ve hidroksit iyonları içerir. Bu, elektriksel iletkenliği sınırlar. Seyreltik sülfürik asitten gelen yüksek konsantrasyonlardaki hidrojen iyonları ve sülfat iyonları, elektrolitin elektriksel iletkenliğini iyileştirir. Alternatif olarak, potasyum hidroksit (KOH) veya sodyum hidroksit (NAOH) gibi alkali bir elektrolit çözeltisi ve su kullanabilirsiniz. Birçok tuz çözeltisinin veya sülfürik asidin elektrolizi, negatif katotta hidrojen ve pozitif anotta oksijen üretir. Hidroklorik asidin veya klorür tuzlarının elektrolizi anotta klor üretir.
Elektrolizör Nedir?
Elektrolizör, elektroliz olarak bilinen bir süreçte suyu hidrojen ve oksijene ayıran bir cihazdır. Elektrolizör, hidrojen gazı ve oksijen gazı üretmek için elektrik kullanır. Hidrojen gazı, sıkıştırılmış veya sıvılaştırılmış gaz olarak depolanabilir. Hidrojen, otomobillerde, trenlerde, otobüslerde veya kamyonlarda hidrojen yakıt hücresinde kullanılmak üzere bir enerji taşıyıcısıdır.
Temel bir elektrolizör, bir katot (negatif yük) ve bir anot (pozitif yük) ile pompalar, havalandırma çıkışları, depolama tankları, güç kaynağı, ayırıcı ve diğer bileşenler gibi çevresel bileşenler içerir. Su elektrolizi, elektrolizörün içinde gerçekleşen elektrokimyasal bir tepkimedir. Anot ve katot doğru akımla beslenir ve su (H20), bileşenleri olan hidrojen (H2) ve oksijene (O2) ayrılır.
Literatür / Kaynaklar
- 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.