Suyun elektrolizi

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Şuraya atla: kullan, ara
Evde suyun elektrolizinin gösterilmesi için basit kurulum

Suyu (H2O), oksijen (O2) ve hidrojen gazına (H2) ayrıştırmak için içerisinden elektrik akımı geçirme işlemine suyun elektrolizi denir.

Bu teknik, hidrojen yakıtı (hidrojen gazı) ve nefes alabilen oksijen yapmak için kullanılabilir; Şu anda çoğu endüstriyel yöntemlerle doğal gazdan hidrojen yakıt yapılmaktadır.

Tarihi[değiştir | kaynağı değiştir]

Cihaz, Johann Wilhelm Ritter tarafından suyun elektrolizini geliştirmek için icat edilmiştir.

Jan Rudolph Deiman ve Adriaan Paets van TROOSTWIJK suyla Leyden kavanoz altın elektrotlar taburcu edildi elektrik üretmek için 1789 elektrostatik makine kullanılmaktadır. 1800 yılında Alessandro Volta volta kazık icat ve birkaç hafta sonra, William Nicholson ve Anthony Carlisle suyun elektrolizi için kullanılır. Zénobe Gramme su 1869 elektroliz Gramme makinesini icat zaman, hidrojen üretimi için bir ucuz bir yöntem haline gelmiştir. hidrojen ve elektroliz yoluyla oksijen endüstriyel sentezi için bir yöntem 1888 yılında Dmitry Lachinov tarafından geliştirilmiştir.[1]

İlkeleri[değiştir | kaynağı değiştir]

Bir DC elektrik güç kaynağı, su içine yerleştirilir (örneğin, platin, paslanmaz çelik veya iridyum gibi tipik olarak bazı atıl metalden yapılmış) iki elektrot, iki levhalara bağlanmıştır. Hidrojen katot (elektronlar suya girmek negatif elektrot) görünecektir, ve oksijen anot (pozitif elektrot) görünecektir. İdeal Faradaysal verimlilik varsayarsak, üretilen hidrojen miktarı iki katı oksijen miktarı, hem çözümün tarafından yapılan toplam elektrik yükü ile orantılıdır. Bununla birlikte, birçok hücrede kimi yan reaksiyonlar farklı ürünler ve ideal Faradaysal verimlilik daha kısa bir sürede elde edilen, ortaya çıkar.

Elektroliz en saf su gerektirir aşırı enerji formunda overpotential için çeşitli engelleri aşmak etkinleştirme. Olmadan aşırı enerji elektroliz saf su oluşur çok yavaş ya da hiç gitmiyorum. Bu yer nedeniyle sınırlı self-iyonizasyon su. Saf su bir elektrik iletkenliği hakkında bir milyonuncu O deniz suyu. Birçok elektrolitik hücreler olabilir de olmaması gereken electrocatalysts. Verimliliği elektroliz artış ile birlikte bir elektrolit (örneğin, bir tuz, bir asit veya bir baz) ve kullanım electrocatalysts.

Şu anda elektrolitik süreç olduğunu nadiren kullanılan endüstriyel uygulamalar beri hidrojen olabilir şu anda üretilen daha ödenebilir gelen fosil yakıtlar.[2]

Denklemler[değiştir | kaynağı değiştir]

Diyagram gösteren genel kimyasal denklem.

Saf su anda negatif yüklü katot, indirgenme reaksiyonu yer alır, elektron (e) katot olmak için verilen hidrojen katyon formu hidrojen gazı (yarı reaksiyon dengeli asit):

İnceltme ile katot: 2 H+(aq) + 2e → H2(g)

De pozitif yüklü anot, bir oksidasyon reaksiyonu oluşur, üreten oksijen gaz vererek ve elektronlar anot tam devre:

Oksitlenme de anot: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4e

Aynı yarım tepkiler de aşağıda belirtilen temel ile dengeli olabilir. Tüm yarım tepkiler olmalı dengeli bir asit veya baz ile. Birçok yapmak gibi bir oksidasyon veya redüksiyon su listelenen burada. Eklemek yarı reaksiyonlar gerekir, onlar her ikisini de dengeli ya da asit veya baz.

Katot (indirgenme): 2 H2O(l) + 2e → H2(g) + 2 OH(aq)
Anot (yükseltgenme): 4 OH(aq) → O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e

Birleştirerek her iki yarım reaksiyon çifti, oksijen ve hidrojeni aynı genel ayrışma verir:

Toplam reaksiyon: 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

Üretilen hidrojen molekülleri sayısı, bu nedenle iki kez oksijen molekülleri sayısıdır. Varsayarak eşit sıcaklık ve basınç için iki gazlar, üretilen hidrojen gazı vardır bu nedenle iki birimin üretilen oksijen gazı. Sayıda elektron itti boyunca suyun iki katı sayıda üretilen hidrojen molekülleri ve dört katı sayıda üretilen oksijen molekülleri.

Termodinamik[değiştir | kaynağı değiştir]

Bozunma saf su içine hidrojen ve oksijen de standart sıcaklık ve basınç değil olumlu olarak termodinamik açısından.

Anot (yükseltgenme): 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4e Eo
öküz = -1.23 V EÇ
kırmızı = 1.23 )[3])
Katot (indirgenme): 2 H+(aq) + 2e → H2(g) Eo
kırmızı = / V

Böylece, standart potansiyeli su elektroliz hücresi -1.23 V 25 °C pH 0 ([H+] = 1.0 M). 25 °C, pH 7 ([H+] = 1.0×10−7 M), potansiyel değişmeden dayalı Nernst denklemi. Termodinamik standart hücre potansiyeli olabilir elde edilen standart hal serbest enerji hesaplamaları bulmak için ΔG° ve sonra kullanarak denklemi: ΔG°= -nFE°(E° hücre potansiyeli). Pratik bir elektrokimyasal hücre "tahrik" doğru tamamlama başvuruları makul potansiyel, kinetik olarak kontrol ediliyor. Bu nedenle, aktivasyon enerjisi, iyon hareketlilik (difüzyon) ve konsantrasyon, Tel direnci, yüzey engel olmak üzere kabarcık oluşmasına neden olur elektrot alanı tıkanma) ve entropi, iste bir daha uygulanan potansiyel olmakla birlikte, bu faktörler.

Elektrolit seçimi[değiştir | kaynağı değiştir]

Hoffman voltameter bağlı bir doğru akım güç kaynağı

Yukarıda açıklanan işlemler ortaya saf su, H+ katyon olur birikir de anot ve OH anyon olur birikir de katot. Bu olabilir doğrulanmış ekleyerek bir pH göstergesi su: suya yakın anot ise asitli su yakın katot temel. Negatif iyonlar hidroksit bu yaklaşım anot çoğunlukla birleştirmek pozitif baz iyonu (H3O+) form su. Olumlu baz iyonları bu yaklaşım negatif katot çoğunlukla birleştirmek ile negatif hidroksit iyonları için form su. Görece az sayıda baz/hidroksit iyonları ulaşmak katot/anot. Bu neden bir konsantrasyon overpotential her iki elektrot.

Saf su oldukça iyi bir yalıtkan diy düşük autoionization, Kw = 1.0 x 10-14 oda sıcaklığı ve böylece saf su yapar mevcut kötü, 0,055 us·cm-1. Tabii, çok büyük bir potansiyel uygulanması için neden bir artış autoionization su elektroliz saf su gelirleri çok yavaş limited şirketine genel iletkenlik.

Eğer suda çözünen elektrolit eklenirse, suyun iletkenliği önemli ölçüde artar. Elektrolit paylaşılmamış içine katyon ve anyon, anyon rush doğru anot ve etkisiz hale birikimini pozitif yüklü H+ orada; benzer şekilde, katyon rush doğru katot ve etkisiz hale birikimini negatif yüklü OH orada. Bu sayede sürekli akım elektrik.[4]

Bakım olmalı alınan seçme bir elektrolit, anyon dan beri bir elektrolit olan rekabet ile hidroksit iyonları için bir elektron. Bir elektrolit anyon ile daha az standart elektrot potansiyeli daha hidroksit olacak okside yerine hidroksit ve oksijen gazı olacak üretti. Bir katyon ile bir büyük standart elektrot potansiyeli daha bir hidrojen iyonu olacak azalmış onun yerine, ve hidrojen gazı olacak üretti.

Aşağıdaki katyon düşük elektrot potansiyeli daha H+ ve bu nedenle uygun kullanım olarak elektrolit katyon: Li+, Rb+, K+, Cs+, Ba2+, Sr2+, Ca2+, Na+ve Mg2+. Sodyum ve lityum var, sık kullanılan, onlar formu ucuz, çözünür tuzları.

Eğer bir asit olup kullanılan elektrolit, anot ise H+, ve orada hiçbir rakip için H+ tarafından oluşturulan kesilmesi su. En sık kullanılan anyon olduğunu sülfat (SO42-), olarak çok zor okside ile standart oksidasyon potansiyeli için bu iyon için peroxydisulfate iyon olmak -2.05 volt.

Kuvvetli asit olarak sülfürik asit (H2SO4) ve zayıf baz olarak potasyum hidroksit (KOH) ve sodyum hidroksit (sodyum hidroksit) sık kullanılan elektrolitler nedeniyle onların güçlü yapma yetenekleri.

Bir katı polimer elektrolit da kullanılabilir gibi Nafion ve uygulanmış bir özel katalizör her tarafı zarı olabilir verimli bir şekilde bölünmüş su molekülü gibi küçük olarak 1.5 Volt. Orada da bir dizi diğer katı elektrolit sistemlerinin sahip oldu yargılanır ve geliştirilmiş bir dizi elektroliz sistemleri şu anda mevcut ticari kullanım katı elektrolitler.[5]

Teknikleri[değiştir | kaynağı değiştir]

Temel gösteri[değiştir | kaynağı değiştir]

İki yolçalışmasını terminalleri bir pil, yer aldığı bir bardak su ile bir miktar elektrolit kurmak iletkenlik çözüm. Kullanarak Bağ (sofra tuzu) bir elektrolit çözüm sonuçlarında klor gazı yerine oksijen nedeniyle rakip yarı reaksiyon. İle doğru elektrot ve doğru elektrolit gibi kabartma tozu (sodyum bikarbonat), hidrojen ve oksijen gazları olacak akımından ters dolu elektrotlar. Oksijen olacak toplamak de pozitif yüklü elektrot (anot) ve hidrojen olacak toplamak de negatif yüklü elektrot (katot). Not hidrojen ise pozitif yüklü H2O molekülü, yani biter de negatif elektrot. (Ve tersi için oksijen.)

Not bir sulu çözelti su ile klorür iyonları, zaman electrolysed, sonuç olarak da OH eğer konsantrasyon Cl düşük, ya da klor gazı olmak tercihen taburcu eğer konsantrasyon Cl yüksek fazla %25 oranında toplu çözüm.

Maç test hidrojen gaz varlığını tespit etmek için kullanılan

Hofmann voltameter[değiştir | kaynağı değiştir]

Hofmann bu voltameter genellikle küçük ölçekli elektrolitik bir hücre olarak kullanılır. Bu oluşur üç katıldı dik silindir. İç silindir açık'ta üst izin ver ayrıca su ve elektrolit. Bir platin elektrot yerleştirilir at alt her iki tarafında silindir, bağlı pozitif ve negatif terminalleri bir kaynak elektrik. Ne zaman geçerli çalışma ile Hofmann voltameter, gaz oksijen formları olan anot (pozitif) ve gaz halindeki hidrojen de katot (negatif). Her yerinden su ve gaz toplar üstünde iki dış boruları, nerede olabilir çizilmiş kapalı bir musluk.

Endüstriyel[değiştir | kaynağı değiştir]

Birçok endüstriyel elektroliz hücreleri çok benzer Hofmann voltameters, karmaşık platin plaka veya Petek olarak elektrotlar. Genellikle sadece zaman hidrojen kasıtlı olarak üretilen elektroliz için özel bir nokta kullanımı uygulama olduğu gibi, dava ile oksihidrojen meşaleler ya da son derece yüksek saflıkta hidrojen veya oksijen istenen. Büyük çoğunluğu hidrojen üretilen hidrokarbonlar ve bunun sonucunda içerir eser miktarda karbon monoksit zehirlemesi diğer yabancı maddeler. Karbon monoksit kirlilik olabilir zararlı çeşitli sistemleri de dahil olmak üzere pek çok yakıt hücreleri.

Yüksek basınç[değiştir | kaynağı değiştir]

Yüksek basınçlı hidrojen olup, hidrojen, su ile sıkıştırılmış hidrojen çıkışı etrafında 120-200 Bar (1740-2900 psi).[6] Tarafından basınçlama hidrojen içinde electrolyser ihtiyacı için bir dış hidrojen kompresör olduğunu elendi, ortalama enerji tüketimi için dahili sıkıştırma çapında %3.[7]

Yüksek sıcaklık[değiştir | kaynağı değiştir]

Yüksek sıcaklık elektroliz (ayrıca SİTEDE veya buhar elektroliz) yöntemi, şu anda araştırılıyor için su elektroliz ile bir ısı motoru. Yüksek sıcaklık elektroliz olabilir tercih geleneksel oda-sıcaklık elektroliz çünkü bazı enerji temin edildiği ısı, hangisi daha ucuz elektrik ve çünkü elektroliz reaksiyonu daha verimli daha yüksek sıcaklıklarda.[8][9]

Alkali su[değiştir | kaynağı değiştir]

Polimer elektrolit membran[değiştir | kaynağı değiştir]

Nikel/demir[değiştir | kaynağı değiştir]

2014 yılında, araştırmacılar ucuz, oldukça değerli metal katalizör, örneğin platin ya da iridyum gibi daha bol bulunan nikel ve demirden yapılmış bir elektroliz sistemi duyurdu. Nikel-metal/nikel-oksit yapısı daha aktif daha saf nikel metal veya saf nikel oksit yalnız. Katalizör önemli ölçüde düşürür gerekli gerilim.[10][11]

Uygulamalar[değiştir | kaynağı değiştir]

Hidrojen gaz üretir dünya çapında %5 elektroliz tarafından oluşturulur. Çoğunluğun bu üretilen hidrojen elektroliz yoluyla bir yan ürün, üretimi, klor. Bu bir ilk örnek bir rakip yan reaksiyon.

2NaCl + 2H2O → Cl2 + H2 + 2NaOH

Bu elektroliz salamura (tuzlu su), su sodyum klorür karışımı, yarısı sadece elektroliz çünkü su klorür iyonları okside için klor yerine suya okside oksijen. Hidrojen üretilen bu süreç de yanık (dönüştürme için su), üretiminde kullanılan özel kimyasallarya da diğer çeşitli küçük ölçekli uygulamalar.

Su elektroliz edilir aynı zamanda kullanılan oksijen üretmek için Uluslararası Uzay İstasyonu.[12][13]

Hidrojen olabilir daha sonra kullanılabilecek bir yakıt hücresi gibi bir depolama yöntemi, enerji ve su.[14]

Verimliliği[değiştir | kaynağı değiştir]

Sanayi üretimi[değiştir | kaynağı değiştir]

Verimliliği modern hidrojen jeneratörleri ile ölçülen güç başına tüketilen standart hacim hidrojen (MJ/m3), varsayarak standart sıcaklık ve basınç H2. Düşük güç tarafından kullanılan bir jeneratör, yüksek olurdu onun verimliliği; %100 verimli electrolyser ki tüketmek 11.7 MJ/m3.[kaynak belirtilmeli]

Electrolyser satıcıları sağlamak verimliliği esas entalpi. Değerlendirmek iddia verimli bir electrolyser önemlidir kurmak için nasıl tanımlanmıştır satıcı (yani ne entalpi değeri, şu anki yoğunluk, vb.).

Orada iki ana teknolojileri mevcut piyasa, alkali ve proton değişim membran (PEM) electrolysers. Alkali electrolysers daha açısından yatırım (onlar genellikle kullanımı nikel katalizör), ama daha az verimli; PEM electrolysers, tersine, daha pahalı (onlar genellikle kullanımı pahalı platin grubu metal katalizör) ama daha verimli çalışması ve daha yüksek akım yoğunlukları, ve olabilir bu nedenle belki daha ucuz eğer hidrojen üretimi yeterince büyük. Rapor, çalışma verimliliği vardır aralığı 60 -75% alkali ve 65-90% PEM.[15][16][17]

Overpotential[değiştir | kaynağı değiştir]

Gerçek su electrolysers reaksiyon devam etmek için yüksek gerilim gerektirir. Bölümü aşan 1.23 V[18] denir overpotential veya aşırı gerilim ve temsil ettiği her türlü kayıp ve nonideality içinde elektro-kimyasal işlem.

Bir iyi tasarlanmış cep en büyük overpotential olduğu tepki overpotential için dört-elektron oksidasyon su için oksijen anot; electrocatalysts olabilir kolaylaştırmak bu tepki ve platin alaşımı devletin sanat için bu oksidasyon. Gelişen ucuz, etkili elektrokatalizör için bu tepki olurdu büyük bir avans ve bir konu mevcut araştırma; orada pek çok yaklaşım, arasında onları bir 30 yaşındaki tarifi için molibden sülfit,[19] grafen kuantum noktaları,[20] karbon nanotüpler,[21] perovskite,[22] ve nikel/nikel-oksit.[23][24] basit iki-elektron reaksiyonu üretmek hidrojen de katot olabilir electrocatalyzed ile neredeyse hiç overpotential tarafından platin, ya da teorik bir hidrogenazın enzim. Diğer, daha az etkili, malzemeler için kullanılan katot (örneğin grafit), büyük overpotentials olacak görünüyor.

Termodinamik[değiştir | kaynağı değiştir]

Elektroliz su standart koşullar gerektirir bir teorik en az 237 kJ elektrik enerji girişine çözülecektir, her bir mol su, standart Gibbs serbest enerji oluşumu su. Bu da enerji gerektirir aşmak için değişiklik entropi tepkisi. Bu nedenle, işlem devam edemiyor aşağıda 286 kJ mol başına hiçbir dış ısı/enerji olduğunu sözlerine ekledi.

Beri her ben su gerektirir, iki mol elektronve verilen Faraday sabiti F temsil şarjı bir atom elektron (96485 C/mol), bunu izleyen minimum voltaj için gerekli elektroliz hakkında 1.23 V.[25] Eğer elektroliz edilir gerçekleştirilen yüksek sıcaklık bu gerilimi azaltır. Bu etkili bir şekilde sağlar electrolyser için çalışmaya fazla %100 elektrik verimliliği. Elektrokimyasal sistemler bu demektir ki ısı olması gerekir temin için reaktöre sürdürmek tepki. Bu şekilde ısı enerjisi yapabilirsiniz kısmının elektroliz enerji gereksinimi.[26] benzer bir şekilde gerekli voltaj olması daha az yakıt (karbon gibi) tepki ile oksijen üretilir. Bu sonuçlar bazı yakıtların enerji kullanılması için "yardımcı" elektroliz süreci ve azaltmak toplam maliyeti hidrojen üretti.[27]

Ancak, gözlem entropi bileşeni (ve diğer kayıplar), aşırı gerilimlere 0.03 V gerekli tepkinin geçin pratik akım yoğunlukları ( thermoneutral gerilim).

Durum su elektroliz, Gibbs serbest enerji temsil eder minimum için gerekli tepkiyi geçin ve reaksiyon entalpi miktarı enerji (her ikisi de iş ve ısı) sahip olmak koşuluyla, bu yüzden reaksiyon ürünler de aynı sıcaklık gibi bir yakıt (yani standart sıcaklık değerleri yukarıda verilen). Potansiyel olarak, bir electrolyser ameliyat 0.03 V olur %100 etkili.[kaynak belirtilmeli]

Ayrıca Bakınız[değiştir | kaynağı değiştir]

Referanslar[değiştir | kaynağı değiştir]

  1. ^ Lachinov Dmitry Aleksandrovich at Great Cyrill and Methodius Encyclopedia (Russian)
  2. ^ Staff (2007).
  3. ^ standard electrode potential (data page)
  4. ^ Linus Pauling, General Chemistry, Section 15-2.
  5. ^ Badwal, SPS; Giddey S; Munnings C (2012).
  6. ^ 2001-High pressure electrolysis - The key technology for efficient H.2
  7. ^ 2003-PHOEBUS-Pag.9
  8. ^ Hi2h2 - High temperature electrolysis using SOEC
  9. ^ WELTEMP-Water electrolysis at elevated temperatures
  10. ^ "A low-cost water splitter that runs on an ordinary AAA battery".
  11. ^ Ming Gong et al., (2014).
  12. ^ "Making Space Safer with Electrolysis".
  13. ^ "Breathing Easy on the Space Station".
  14. ^ "Solar Hydrogen Fuel Cell Water Heater (Educational Stand)".
  15. ^ 2014 - Development of water electrolysis in the European Union
  16. ^ Werner Zittel; Reinhold Wurster (1996-07-08).
  17. ^ Bjørnar Kruse; Sondre Grinna; Cato Buch (2002-02-13).
  18. ^ 1.23 V is the standard potential; in non-standard conditions it may be different, in particular it decreases with temperature.
  19. ^ Kibsgaard, Jakob; Jaramillo, Thomas F.; Besenbacher, Flemming (2014).
  20. ^ Fei, Huilong; Ye, Ruquan; Ye, Gonglan; Gong, Yongji; Peng, Zhiwei; Fan, Xiujun; Samuel, Errol L. G.; Ajayan, Pulickel M.; Tour, James M. (2014).
  21. ^ http://www.nature.com/ncomms/2014/140822/ncomms5695/full/ncomms5695.html
  22. ^ Luo, J.; Im, J.-H.; Mayer, M. T.; Schreier, M.; Nazeeruddin, M. K.; Park, N.-G.; Tilley, S. D.; Fan, H. J.; Gratzel, M. (2014).
  23. ^ Honjie Dai's water splitter
  24. ^ Honjie Dai's water splitter ref 2
  25. ^ Hyman D. Gesser (2002).
  26. ^ Badwal, Sukhvinder P.S.; Giddey, Sarbjit; Munnings, Christopher (September 2013).
  27. ^ Badwal, Sukhvinder P. S.; Giddey, Sarbjit S.; Munnings, Christopher; Bhatt, Anand I.; Hollenkamp, Anthony F. (24 September 2014).