Seyreltik Sülfürik Asitten Sonoelektrolitik Hidrojen Üretimi
Seyreltik sülfürik asidin elektrolizi, hidrojen gazı ve oksijen gazı üretir. Ultrasonication, elektrot yüzeyindeki difüzyon tabakası kalınlığını azaltır ve elektroliz sırasında kütle transferini geliştirir. Ultrasonikasyon, elektrolitik hücrede hidrojen gazı üretim oranlarını önemli ölçüde artırabilir.
Bir karbon anot ve bir titanyum katot içeren iki deney düzeneği aşağıda açıklanmıştır. Ultrasonication'ın elektroliz üzerindeki olumlu etkilerini göstermek için, titanyum katot bir sonoelektrottur. Bu, seyreltik sülfürik asitten elektrolitik hidrojen ve oksijen üretimine ultrasonik titreşimler ve kavitasyon ekler. Ultrasoniklerin elektrikle kombinasyonu sonoelektrokimya, sonoelektroliz ve sonoelektrosentezde kullanılır.
Hielscher ultrasonik homojenizatör UP100H (100 watt, 30kHz) bir sonoelektrokimyasal yükseltme ile donatılmıştır. Bu, sonotrotun elektrolitik bir işlemde bir katot veya anot olarak kullanılmasına izin verir. Endüstriyel sonoelektrolitik kurulumlar için lütfen buraya tıklayın!
UP100H ultrasonik işlemcide Sonoelektrik Katot
Sonoelektroliz Kurulumu 1 – H-tipi Bölünmemiş Hücre
Kurulum seyreltik sülfürik asit (H2SO4, 1.0M) kullanır. H tipi bölünmemiş bir hücre elektrolit ile doldurulur. Bu hücre Hofmann Voltametresi olarak bilinir. Üç birleştirilmiş dik cam silindire sahiptir. Elektrolit ile doldurmaya izin vermek için iç silindirin üst kısmı açıktır. Dış boruların üst kısmındaki valflerin açılması, doldurma sırasında herhangi bir gazın kaçmasına izin verir. Elektrolitik hücrede, elektrotlar kauçuk halkalarla kapatılır ve baş aşağı asitlenmiş su çözeltisine daldırılır. Pozitif anot elektrodu karbondan (8 mm) yapılmıştır. Negatif katot bir titanyum ultrasonik sonoelektrottur (10mm, özel yüksek yüzey alanlı sonotrode, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Titanyum sonoelektrot ve karbon elektrot inerttir. Elektroliz, yalnızca seyreltik sülfürik asit çözeltisinden elektrik geçirildiğinde gerçekleşecektir. Bu nedenle, karbon anot ve bir titanyum katot, sabit voltajlı bir güç kaynağına (doğru akım) bağlanır.
Seyreltik sülfürik asidin elektrolizinde üretilen hidrojen gazı ve oksijen gazı, her elektrotun üzerindeki dereceli dış tüplerde toplanır. Gaz hacmi, dış borulardaki elektrolitin yerini alır ve ek gazın hacmi ölçülebilir. Gaz hacminin teorik oranı 2:1'dir. Elektroliz sırasında elektrolitten hidrojen gazı ve oksijen gazı olarak sadece su uzaklaştırılır. Bu nedenle, seyreltik sülfürik asidin konsantrasyonu elektroliz sırasında hafifçe yükselir.
Aşağıdaki video, darbeli ultrasonikasyon (% 100 genlik, döngü modu, 0.2 saniye açık, 0.8 saniye kapalı) kullanılarak seyreltik sülfürik asidin sonoelektrolizini göstermektedir. Her iki test de 2.1V'de (DC, sabit voltaj) çalıştırıldı.
Sonoelektroliz Kurulumu 2 – Basit Toplu İş
Bir cam kap, seyreltik sülfürik asit (H2SO4, 1.0M) bir elektrolit ile doldurulur. Bu basit elektrolitik hücrede, elektrotlar asitlenmiş su çözeltisine daldırılır. Pozitif anot elektrodu karbondan (8 mm) yapılmıştır. Negatif katot bir titanyum ultrasonik sonoelektrottur (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektroliz, yalnızca seyreltik sülfürik asit çözeltisinden elektrik geçirildiğinde gerçekleşecektir. Bu nedenle, karbon anot ve bir titanyum katot, sabit voltajlı bir güç kaynağına (doğru akım) bağlanır. Titanyum elektrot ve karbon elektrot inerttir. Seyreltik sülfürik asidin elektrolizinde üretilen hidrojen gazı ve oksijen gazı bu kurulumda toplanmaz. Aşağıdaki video, bu çok basit kurulumun çalıştığını göstermektedir.
Elektroliz Sırasında Ne Olur?
Hidrojen iyonları negatif katoda çekilir. Orada, hidrojen iyonu veya su molekülleri, bir elektron kazancı ile hidrojen gazı moleküllerine indirgenir. Sonuç olarak, hidrojen gazı molekülleri hidrojen gazı olarak deşarj edilir. Birçok reaktif metal tuzunun veya asit çözeltisinin elektrolizi, negatif katot elektrotunda hidrojen üretir.
Negatif sülfat iyonları veya hidroksit iyonlarının izleri pozitif anoda çekilir. Sülfat iyonunun kendisi çok kararlıdır, böylece hiçbir şey olmaz. Hidroksit iyonları veya su molekülleri, oksijen oluşturmak için anotta boşaltılır ve oksitlenir. Bu pozitif anot reaksiyonu, bir elektron kaybıyla meydana gelen bir oksidasyon elektrot reaksiyonudur.
Neden Seyreltik Sülfürik Asit Kullanıyoruz?
Su, yalnızca çok küçük konsantrasyonlarda hidrojen iyonları ve hidroksit iyonları içerir. Bu, elektriksel iletkenliği sınırlar. Seyreltik sülfürik asitten elde edilen yüksek konsantrasyonlarda hidrojen iyonları ve sülfat iyonları, elektrolitin elektriksel iletkenliğini iyileştirir. Alternatif olarak, potasyum hidroksit (KOH) veya sodyum hidroksit (NAOH) gibi alkali elektrolit çözeltisi ve su kullanabilirsiniz. Birçok tuz veya sülfürik asit çözeltisinin elektrolizi, negatif katotta hidrojen ve pozitif anotta oksijen üretir. Hidroklorik asit veya klorür tuzlarının elektrolizi, anotta klor üretir.
Elektrolizör Nedir?
Elektrolizör, elektroliz olarak bilinen bir işlemde suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için kullanılan bir cihazdır. Elektrolizör, hidrojen gazı ve oksijen gazı üretmek için elektrik kullanır. Hidrojen gazı, sıkıştırılmış veya sıvılaştırılmış gaz olarak depolanabilir. Hidrojen, arabalarda, trenlerde, otobüslerde veya kamyonlarda hidrojen yakıt hücresinde kullanım için bir enerji taşıyıcısıdır.
Temel bir elektrolizör, bir katot (negatif yük) ve bir anot (pozitif yük) ve pompalar, havalandırma delikleri, depolama tankları, bir güç kaynağı, bir ayırıcı ve diğer bileşenler gibi çevresel bileşenler içerir. Su elektrolizi, elektrolizör içinde meydana gelen elektrokimyasal bir reaksiyondur. Anot ve katot bir doğru akımla çalıştırılır ve su (H20) bileşenlerine ayrılır: hidrojen (H2) ve oksijen (O2).
Literatür / Referanslar
- 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.