Sản xuất hydro Sonoelectrolytic từ axit sulfuric loãng
Điện phân axit sunfuric loãng tạo ra khí hydro và khí oxy. Ultrasonication làm giảm độ dày lớp khuếch tán ở bề mặt điện cực và cải thiện chuyển khối lượng trong quá trình điện phân. Ultrasonication có thể làm tăng tỷ lệ sản xuất khí hydro trong tế bào điện phân, đáng kể.
Hai thiết lập thử nghiệm với cực dương carbon và cực âm titan được mô tả dưới đây. Để chứng minh những tác động tích cực của ultrasonication trên điện phân, cực âm titan là một sonoelectrode. Điều này thêm rung động siêu âm và cavitation để sản xuất điện phân hydro và oxy từ axit sulfuric loãng. Sự kết hợp của siêu âm với điện được sử dụng trong sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis và sonoelectrosynthesis.
Máy đồng nhất siêu âm Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) được trang bị nâng cấp sonoelectrochemical. Điều này cho phép sử dụng sonotrode làm cực âm hoặc cực dương trong quá trình điện phân. Đối với các thiết lập sonoelectrolytic công nghiệp, vui lòng nhấp vào đây!
Cực âm Sonoelectric trên bộ xử lý siêu âm UP100H
Thiết lập Sonoelectrolysis 1 – Ô không phân chia loại H
Thiết lập sử dụng axit sulfuric loãng (H2SO4, 1.0M). Một tế bào không phân chia loại H chứa đầy chất điện phân. Tế bào này được gọi là Voltameter Hofmann. Nó có ba xi lanh thủy tinh thẳng đứng được nối. Xi lanh bên trong được mở ở phía trên để cho phép đổ đầy chất điện phân. Mở các van ở đầu các ống bên ngoài cho phép bất kỳ khí nào thoát ra trong quá trình làm đầy. Trong tế bào điện phân, các điện cực được niêm phong bằng các vòng cao su và ngâm ngược vào dung dịch nước bị axit hóa. Điện cực dương dương được làm bằng carbon (8mm). Cực âm âm là sonoelectrode siêu âm titan (10mm, sonotrode diện tích bề mặt cao đặc biệt, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Điện cực titan và điện cực carbon trơ. Điện phân sẽ chỉ diễn ra khi điện được truyền qua dung dịch axit sunfuric loãng. Do đó, cực dương carbon và cực âm titan được kết nối với nguồn điện áp không đổi (dòng điện trực tiếp).
Khí hydro và khí oxy được tạo ra trong quá trình điện phân axit sulfuric loãng được thu thập trong các ống ngoài chia độ phía trên mỗi điện cực. Thể tích khí thay thế chất điện phân trong các ống bên ngoài và có thể đo thể tích của khí bổ sung. Tỷ lệ lý thuyết của thể tích khí là 2: 1. Trong quá trình điện phân, chỉ có nước được loại bỏ khỏi chất điện phân dưới dạng khí hydro và khí oxy. Do đó, nồng độ của axit sunfuric loãng tăng nhẹ trong quá trình điện phân.
Video dưới đây cho thấy sonoelectrolysis của axit sulfuric loãng bằng cách sử dụng siêu âm xung (biên độ 100%, chế độ chu kỳ, 0,2 giây trên, 0,8 giây tắt). Cả hai thử nghiệm đều được chạy ở 2.1V (DC, điện áp không đổi).
Thiết lập Sonoelectrolysis 2 – Hàng loạt đơn giản
Một bình thủy tinh chứa đầy chất điện phân của axit sunfuric loãng (H2SO4, 1.0M). Trong tế bào điện phân đơn giản này, các điện cực được ngâm vào dung dịch nước bị axit hóa. Điện cực dương dương được làm bằng carbon (8mm). Cực âm âm là sonoelectrode siêu âm titan (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Điện phân sẽ chỉ diễn ra khi điện được truyền qua dung dịch axit sunfuric loãng. Do đó, cực dương carbon và cực âm titan được kết nối với nguồn điện áp không đổi (dòng điện trực tiếp). Điện cực titan và điện cực carbon trơ. Khí hydro và khí oxy được tạo ra trong quá trình điện phân axit sulfuric loãng không được thu thập trong thiết lập này. Video dưới đây cho thấy thiết lập rất đơn giản này trong hoạt động.
Điều gì xảy ra trong quá trình điện phân?
Các ion hydro bị thu hút bởi cực âm âm. Ở đó, ion hydro hoặc các phân tử nước bị khử thành các phân tử khí hydro bằng cách tăng electron. Kết quả là, các phân tử khí hydro được thải ra dưới dạng khí hydro. Sự điện phân của nhiều muối kim loại phản ứng hoặc dung dịch axit tạo ra hydro ở điện cực cực âm.
Các ion sunfat âm hoặc dấu vết của các ion hydroxit bị thu hút vào cực dương dương. Bản thân ion sunfat quá ổn định, do đó không có gì xảy ra. Các ion hydroxit hoặc các phân tử nước được thải ra và oxy hóa ở cực dương để tạo thành oxy. Phản ứng cực dương này là phản ứng điện cực oxy hóa do mất electron.
Tại sao chúng ta sử dụng axit sulfuric loãng?
Nước chỉ chứa nồng độ phút của các ion hydro và ion hydroxit. Điều này hạn chế độ dẫn điện. Nồng độ cao của các ion hydro và ion sunfat từ axit sulfuric loãng cải thiện độ dẫn điện của chất điện phân. Ngoài ra, bạn có thể sử dụng dung dịch điện phân kiềm như kali hydroxit (KOH) hoặc natri hydroxit (NAOH) và nước. Việc điện phân nhiều dung dịch muối hoặc axit sunfuric tạo ra hydro ở cực âm âm và oxy ở cực dương dương. Quá trình điện phân axit clohydric hoặc muối clorua tạo ra clo ở cực dương.
Máy điện phân là gì?
Máy điện phân là một thiết bị để tách nước thành hydro và oxy trong một quá trình được gọi là điện phân. Máy điện phân sử dụng điện để sản xuất khí hydro và khí oxy. Khí hydro có thể được lưu trữ dưới dạng khí nén hoặc hóa lỏng. Hydro là một chất mang năng lượng để sử dụng trong pin nhiên liệu hydro trong ô tô, xe lửa, xe buýt hoặc xe tải.
Một máy điện phân cơ bản chứa cực âm (điện tích âm) và cực dương (điện tích dương) và các thành phần ngoại vi, chẳng hạn như máy bơm, lỗ thông hơi, bể chứa, nguồn điện, bộ phân tách và các thành phần khác. Điện phân nước là một phản ứng điện hóa xảy ra trong máy điện phân. Cực dương và cực âm được cung cấp năng lượng bởi dòng điện trực tiếp và nước (H20) được chia thành các thành phần hydro (H2) và oxy (O2).
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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.