Seyreltik Sülfürik Asitten Sonoelektolitik Hidrojen Üretimi
Seyreltilmiş sülfürik asidin elektrolizi hidrojen gazı ve oksijen gazı üretir. Ultrasonication elektrot yüzeyinde difüzyon tabakası kalınlığını azaltır ve elektroliz sırasında kütle transferini artırır. Ultrasonication önemli ölçüde elektrolitik hücrede hidrojen gazı üretim oranlarını artırabilir.
Karbon anot ve titanyum katot içeren iki deneysel kurulum aşağıda açıklanmıştır. Ultrasonication elektroliz üzerinde olumlu etkilerini göstermek için, titanyum katot bir sonoelektod olduğunu. Bu, seyreltilmiş sülfürik asitten hidrojen ve oksijenin elektrolitik üretimine ultrasonik titreşimler ve kavitasyon ekler. Ultrasoniklerin elektrikle kombinasyonu sonoelektokimya, sonoelekroliz ve sonoelectrosynthesis'te kullanılır.
Hielscher ultrasonik homojenizatör UP100H (100 watt, 30kHz) bir sonoelektrik yükseltme ile donatılmıştır. Bu, sonotrode'un elektrolitik bir işlemde katot veya anot olarak kullanılmasına izin verir. Endüstriyel sonoelektolitik kurulumlar için lütfen buraya tıklayın!
UP100H ultrasonik işlemcide Sonoelektrik Katot
Sonoelectrolysis Kurulumu 1 – H tipi Bölünmemiş Hücre
Kurulum seyreltik sülfürik asit kullanır (H2SO4, 1.0M). H tipi bölünmemiş bir hücre elektrolitle doldurulur. Bu hücre Hofmann Voltametre olarak bilinir. Üç birleştirilmiş dik cam silindiri vardır. İç silindir, elektrolit ile doldurulmaya izin vermek için üstte açıktır. Dış boruların üst kısmındaki vanaların açılması, dolum sırasında herhangi bir gazın kaçmasını sağlar. Elektrolitik hücrede, elektrotlar kauçuk halkalar tarafından kapatılır ve asitlenmiş su çözeltisine baş aşağı batırılır. Pozitif anot elektrodu karbondan (8mm) yapılmıştır. Negatif katot bir titanyum ultrasonik sonoelektrod (10mm, özel yüksek yüzey alanı sonotrode, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Titanyum sonoelekrod ve karbon elektrot atıl durumda. Elektroliz sadece seyreltilmiş sülfürik asit çözeltisine elektrik geçirildiğinde gerçekleşecektir. Bu nedenle, karbon anot ve titanyum katot sabit bir voltaj güç kaynağına (doğru akım) bağlanır.
Seyreltilmiş sülfürik asidin elektrolizinde üretilen hidrojen gazı ve oksijen gazı, her elektrot üzerindeki dereceli dış tüplerde toplanır. Gaz hacmi dış borulardaki elektrolitleri yerinden eder ve ek gazın hacmi ölçülebilir. Gaz hacminin teorik oranı 2:1'dir. Elektroliz sırasında elektrolitten hidrojen gazı ve oksijen gazı olarak sadece su çıkarılır. Bu nedenle, seyreltilmiş sülfürik asit konsantrasyonu elektroliz sırasında biraz yükselir.
Aşağıdaki video, darbeli ultrasonication kullanarak seyreltik sülfürik asidin sonoelektrolizini göstermektedir (% 100 genlik, döngü modu, 0.2 saniye açık, 0.8 saniye kapalı). Her iki test de 2.1V 'da (DC, sabit voltaj) yapıldı.
Sonoelectrolysis Kurulumu 2 – Basit Toplu İş
Bir cam kap, seyreltilmiş sülfürik asit (H2SO4, 1.0M) elektrolit ile doldurulur. Bu basit elektrolitik hücrede, elektrotlar asitlenmiş suyun bir çözeltisine batırılır. Pozitif anot elektrodu karbondan (8mm) yapılmıştır. Negatif katot bir titanyum ultrasonik sonoelektoddur (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektroliz sadece seyreltilmiş sülfürik asit çözeltisine elektrik geçirildiğinde gerçekleşecektir. Bu nedenle, karbon anot ve titanyum katot sabit bir voltaj güç kaynağına (doğru akım) bağlanır. Titanyum elektrot ve karbon elektrot atıl durumda. Seyreltilmiş sülfürik asidin elektrolizinde üretilen hidrojen gazı ve oksijen gazı bu kurulumda toplanmaz. Aşağıdaki video, bu çok basit kurulumun çalışma halinde olduğunu göstermektedir.
Elektroliz Sırasında Ne Olur?
Hidrojen iyonları negatif katota çekilir. Orada, hidrojen iyon veya su molekülleri bir elektron kazancı ile hidrojen gazı moleküllerine indirgenir. Sonuç olarak hidrojen gazı molekülleri hidrojen gazı olarak boşaltılır. Birçok reaktif metal tuzunun veya asit çözeltisinin elektrolizi negatif katot elektrodunun hidrojenini üretir.
Negatif sülfat iyonları veya hidroksit iyonlarının izleri pozitif anota çekilir. Sülfat iyonun kendisi çok kararlıdır, böylece hiçbir şey olmaz. Hidroksit iyonları veya su molekülleri boşaltılır ve oksijen oluşturmak için anotta oksitlenir. Bu pozitif anot reaksiyon, elektron kaybı ile oksidasyon elektrot reaksiyondur.
Neden Seyreltik Sülfürik Asit Kullanıyoruz?
Su, sadece dakika konsantrasyonlarında hidrojen iyonları ve hidroksit iyonları içerir. Bu, elektrik iletkenliğini sınırlar. Seyreltik sülfürik asitten elde edilen yüksek hidrojen iyonları ve sülfat iyonları, elektrolitenin elektriksel iletkenliğini artırır. Alternatif olarak, potasyum hidroksit (KOH) veya sodyum hidroksit (NAOH) ve su gibi alkali elektrolit çözeltisi 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?
Elektroliz, elektroliz olarak bilinen bir işlemde 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, pompalar, havalandırma delikleri, depolama tankları, güç kaynağı, ayırıcı ve diğer bileşenler gibi bir katot (negatif yük) ve bir anot (pozitif yük) ve çevresel bileşenler içerir. Su elektrolizi, elektrolizer içinde meydana gelen elektrokimyasal bir reaksiyondur. Anot ve katot doğrudan akımla çalışır ve su (H20) bileşenleri hidrojen (H2) ve oksijen (O2) olarak ayrılır.
Edebiyat / 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.