ELEKTROLİZ YÖNTEMİYLE HİDROJEN GAZI ELDESİ
Gülfeza KARDAŞ, Ramazan SOLMAZ, Birgül YAZICI, Mehmet ERBİL
Ç.Ü. Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü, 01330, Balcalı-ADANA
gulfeza@cu.edu.tr
,
rsolmaz@cu.edu.tr
,
byazici@cu.edu.tr
,
merbil@cu.edu.tr
ÖZET
Bu çalışmada yumuşak çelik (YÇ), ince nikel filmi ve bu filmin üzerine kobalt-çinko kaplanmış yumuşak çelik
elektrotlarda (YÇ/Ni/CoZn) 25°C’de hidrojen gazı eldesi araştırılmıştır. Bu amaçla katodik polarizasyon,
Elektokimyasal İmpedans Spektroskopisi (EIS) ve elektroliz tekniklerinden yararlanılmıştır. Elde edilen sonuçlar
ince nikel kaplanmış yumuşak çeliğin yüzeyinin CoZn ile kaplandıktan sonra yüzeydeki daha aktif çinko
metalinin çözülmesi ile elde edilen YÇ/Ni/CoZn elektrotunun hidrojen gazı eldesi için etkinliğinin oldukça
arttığını ve elektroliz sisteminde kullanıldığında sistemdeki aşırı gerilimi düşürdüğünü göstermiştir.
Anahtar kelimeler: Hidrojen, elektroliz, aşırı gerilim, nikel-kobalt-çinko kaplama, EIS.
1. GİRİŞ
Günümüzde dünya enerji kaynaklarının büyük çoğunluğunu oluşturan fosil yakıtların sınırlı kaynakları,
fiyatlarının sürekli artması, insan ve çevreye olumsuz etkileri gibi nedenlerden dolayı, bütün dünyada ve
özellikle de gelişmekte olan ülkelerde alternatif enerji kaynakları üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır.
Bunların içerisinde HİDROJEN geleceğin yakıtı olarak kabul edilmektedir. Hidrojen gazı çok yönlü
kullanılabilirliği, yakıtın taşınması, enerji yoğunluğu, çevreye etkileri, efektif maliyet gibi alternatif enerji
kaynaklarının genel özelliklerine tümü ile uyan tek enerji kaynağıdır [1–2]. Geleceğin enerji kaynağı olarak
gösterilen hidrojen doğal bir yakıt olmayıp, su, hava, kömür ve doğal gaz gibi değişik hammaddelerden
üretilebilen sentetik bir yakıttır. Hidrojen gazı eldesinde en basit yöntem suyun elektrolizi olmakla birlikte
elektroliz sisteminde oluşan aşırı gerilimler bu yöntemin maliyetini arttırmaktadır. Bu dezavantajın giderilmesi
için uygun elektrot ve çalışma ortamı araştırılmaktadır. Çalışma ortamı olarak genellikle yakıt hücrelerinde de
kullanılan KOH va NaOH çözeltileri kullanılmaktadır. Elektrolizde kullanılacak elektrotların düşük aşırı gerilim
göstermesi gerekmektedir [3, 4]. Son yıllarda değişik metaller katalitik etkinlikleri yüksek geçiş metalleri ile
kaplanarak daha düşük aşırı gerilimli, elektrokimyasal olarak daha aktif elektrotlar elde edilmektedir. Literatürde
değişik metaller çinko ile birlikte kaplandıktan sonra yüzeydeki çinko metali çözülerek daha gözenekli
elektrotlar hazırlanmıştır [5]. Ancak çözeltideki korozif iyonlar bu gözeneklerden metal yüzeyine difüzlenip
elektrotun korozyonuna neden olmaktadır. Elektokatalitik etkinliklerinin yanında elektroliz yönteminde elektrot
olarak kullanılacak metallerin çalışma ortamındaki korozyon dayanımları da oldukça önemlidir. Elektrotların
korozyona uğraması hem elektrotun aşırı geriliminin arttırmasına ve hem de elektroliz çözeltisinin kirlenmesine
neden olacaktır. Korozyon ile elektrotun ömrünün de kısalacağı unutulmamalıdır. Elektrot yüzeylerinin ince bir
nikel filmi ile kaplanması metallerin korozyon dayanımlarını oldukça arttırmaktadır [6]. Bu nedenle bu
çalışmada yumuşak çelik elektrotun yüzeyi önce ince bir nikel filmi ile kaplandıktan sonra CoZn ile
kaplanmıştır. Kobalt metali hidrojen gazı eldesi için yüksek elektrokatalitik özelik göstermektedir [7–8].
2. MATERYAL ve METOD
Çalışma elektrotları 8 mm çapında silindirik bir yumuşak çelik çubuktan uzunluğu yaklaşık 5 cm olacak şekilde
kesildikten sonra iletkenliği sağlamak için bir ucu bakır tel ile bağlanmış ve sadece diğer ucu açıkta kalacak
şekilde polyester ile kaplanmıştır. Bu şekilde elde edilen elektrotun çözelti ile temas eden yüzey alanı 0,50 cm
2
olmaktadır. Elektrotun kimyasal bileşimi; C (% 0,21), Si (% 0,36), Mn (% 1,25), P (% 0,025), S (% 0,046), Cr
(% 0,16), Ni (% 0,16), Cu (% 0,41), Mo (% 0,017), Sn (% 0,017), Al (% 0,003), V (% 0,081). Kaplamadan önce
elektrotların yüzeyi 600 gritlik zımpara kâğıdı ile parlatılmış ve sırası ile saf su, aseton ve tekrar saf sudan
geçirildikten sonra kaplama banyosuna daldırılmıştır. Kaplama banyolarının bileşimi;
a)
Nikel kaplama banyosu; % 30 NiSO
4
, % 1,0 NiCl
2
, % 1,25 H
3
BO
3
(pH: 5,6-6,2)
b)
Kobalt-Çinko kaplama banyosu; % 30 CoSO
4
, % 10 ZnSO4, % 45 H
3
BO
3
, % 17 NaCl’dir
.
Kaplamalar elektroliz sistemine sabit 40 mAcm
–2
akım, uygun sürelerde uygulanarak oda koşullarında
yapılmıştır. Yumuşak çelik elektrotun yüzeyi önce 10 µm kalınlığında Ni ile kaplanmış ve bu kaplamanın
üzerine 50 µm kalınlığında CoZn kaplanmıştır. Hazırlanan YÇ/Ni/CoZn elektrot kaplamadan sonra % 30’luk
NaOH çözeltisi içerisinde 24 saat bekletilerek yüzeyindeki daha aktif metal (Zn) çözülmüş ve böylece yüzey
alanı arttırılmıştır.
Katodik polarizasyon eğrileri ve impedans ölçümleri üç elektrot tekniği kullanılarak CHI 604 elektrokimyasal
analiz cihazı ile yapılmıştır. Platin karşıt ve Ag/AgCl,Cl
-
(doy.) referans elektrot olarak kullanılmıştır. Katodik
polarizasyon eğrileri -1,8 V ile korozyon potansiyeli aralığında 0,005 Vs
-1
tarama hızı ile elde edilmiştir.
İmpedans ölçümleri 100 kHz ile 0,01≤f≤1 Hz frekans aralığında 0,005 V genlik uygulanarak yapılmıştır.
Elektroliz sisteminde platin anot ve çalışma elektrotları katot olarak kullanılmıştır. Bir doğru akım kaynağından
potansiyel 0,0 V’tan itibaren 0,1 V arttırılarak 3,0 V’a kadar uygulanmış ve elde edilen akım-potansiyel
eğrilerinden her bir elektrot çifti için deneysel ayrışma gerilimleri belirlenmiştir. Aynı sisteme sabit 3,0 V
potansiyel 1 saat boyunca uygulanmış ve çıkan hidrojen gazı, içerisine elektrolit çözeltisi doldurulmuş ve katot
üzerine ters çevrilerek yerleştirilmiş bir büret içerisinde toplanmıştır. Basınç düzeltmesi yapılarak saf hidrojen
hacmi belirlenmiştir [4].
3. DENEYLER ve SONUÇLARI
3.1. Katodik Polarizasyon Eğrileri
YÇ ve YÇ/Ni/CoZn elektrotları için elde edilen katodik polarizasyon eğrileri Şekil 1’de verilmiştir. Polarizasyon
eğrilerinden 0,200 V aşırı gerilimde belirlenen akım yoğunlukları Çizelge 1’de verilmiştir. Şekil 1’e bakıldığında
hidrojen gazı çıkışı YÇ/Ni/CoZn elektrotta çıplak elektrota göre daha düşük potansiyelde gerçekleşmiştir.
Hidrojen gazı oluşumu ile orantılı olan akım yoğunlukları aynı aşırı gerilimlerde karşılaştırıldığında kaplı
elektrotta daha yüksek olduğu görülmektedir (Şekil 1, Çizelge 1).
Şekil 1. Çalışma elektrotları için elde edilen katodik polarizasyon eğrileri.
Çizelge 1. Hidrojen çıkış potansiyelinden itibaren 0,200V aşırı gerilimde katodik polarizasyon eğrilerinden
belirlenen akım yoğunlukları ve impedans ölçümlerinden belirlenen direnç değerleri.
Çalışma elektrotları için hidrojen çıkışının gerçekleştiği değişik aşırı gerilimlerde Nyquist eğrileri elde edilmiş
ve 0,200 V aşırı gerilimde elde edilen eğriler Şekil 2’de verilmiştir. AC impedans tekniği ile elde edilen Nyquist
eğrilerinde en düşük ve en yüksek frekanslar arasındaki uzaklık (elde edilen yarı elipsin çapı) sistemdeki
polarizasyon direncini verir. 0,200 V aşırı gerilimlerde elde edilen eğrilerden belirlenen direnç değerleri
Çizelge 1’de verilmiştir. Şekil 2 ve Çizelge 1 incelendiğinde yumuşak çeliğin yüzeyinin Ni/CoZn ile kaplanması
ile polarizasyon direncinin düştüğü görülmektedir. Çıplak elektrotta 0,200 V’ta direnç 24,3 Ω iken YÇ/Ni/CoZn
elektrotta oldukça düşük, 1,68 Ω olmaktadır. Bu değerler YÇ/Ni/CoZn elektrotunda hidrojen gazı oluşumu
sırasında çok daha düşük bir dirençle karşılaşıldığını ve YÇ/Ni/CoZn elektrotunun hidrojen gazı üretimi için
oldukça uygun, daha ekonomik olabileceğini göstermektedir.
Nikel, kobalt vb gibi metallerin hidrojen gazı eldesi için oldukça etkin oldukları bilinmektedir. Kobalt, çinko ile
birlikte kaplandıktan sonra yüzeyindeki çinkonun çözülmesi ile elde edilen elektrot daha geniş yüzey alanına
sahiptir. YÇ/Ni/CoZn elektrotunun çıplak elektrota oranla daha aktif olması kobalt metalinin elektrokatalitik
özelliği ve yüzey alanının artması ile açıklanabilir.
Şekil 2. 0,200 V aşırı gerilimde çalışma elektrotları için elde edilen Nyquist eğrileri.
3.3 Elektroliz
İki elektrot tekniği ile katot olarak kullanılan YÇ ve YÇ/Ni/CoZn elektrotları için elde edilen akım-potansiyel
eğrileri Şekil 3a’da verilmiştir.
Şekil 3a’dan da görüldüğü gibi yaklaşık 1,7 V’a kadar iki eğri de birbirine
benzemekte ve sistemlerden hemen hemen hiç akım geçmemektedir. Bu potansiyelden itibaren (
~
1,7 V) katotta
hidrojen ve anotta da oksijen gazı çıkışı nedeni ile akım yoğunluklarında hızlı bir artış olmaktadır. Çıplak
elektrotla kıyaslandığında YÇ/Ni/CoZn elektrotta gaz çıkışı daha erken (düşük potansiyelde) başlamaktadır. Elde
edilen eğrilerin doğrusal kısımları uzatılarak kesim noktalarından her bir çalışma elektrotu-Pt çifti için deneysel
ayrışma gerilimleri (
d
E
) belirlenmiştir.
Elektrot
I / mAcm
-2
R
/
Ω
YÇ 5,01
24,3
YÇ/Ni/CoZn 27,48
1,68
Şekil 3. İki elektrot tekniği ile elde edilen akım potansiyel eğrileri (a) ve sabit 3,0 V potansiyel uygulanması ile 1
saat sonunda çalışma elektrotlarında açığa çıkan hidrojen gazı hacimleri (b).
Alkali suyun elektrolizi sırasında anotta oksijen ve katotta hidrojen gazı oluşur;
Anot:
4OH
-
→ O
2(g)
+ 2H
2
O + 4e
-
E
A
=0,401–0,0592pOH (PO
2
=1,0 atm)
(1)
Katot:
4H
2
O + 4e
-
→ 4OH
-
+2H
2(g)
E
K
=-0,828–0,0592pOH (PH
2
=1,0 atm)
(2)
Toplam tepkime;
2H
2
O → O
2(g)
+ 2H
2(g)
E
tr
= 1,23 V
(3)
Suyun 25°C’de tersinir ayrışma gerilimi 1,23 V’tur. Teorik olarak katotta hidrojen ve anotta oksijen çıkışının
gerçekleşebilmesi için sisteme 1,23 V potansiyel uygulanmalıdır. Fakat sistemdeki aşırı gerilimler nedeni ile
(aktivasyon aşırı gerilimi, difüzyon aşırı gerilimi, çözelti aşırı gerilimi vb) 1,23V’tan daha yüksek potansiyel
uygulanması gerekmektedir. Sistemdeki aşırı gerilim (
η
) değerleri aşağıdaki eşitlik ile hesaplanmış ve deneysel
ayrışma gerilimleri (
d
E
) ile birlikte Çizelge 2’de verilmiştir.
23
,
1
−
=
tr
E
η
(4)
Çizelge 2. Deneysel ayrışma gerilimi ve aşırı gerilim değerleri.
Çizelge 2’den de görüldüğü gibi YÇ/Ni/CoZn elektrotunun katot olarak kullanıldığı durumda elektroliz
sistemindeki aşırı gerilim daha az olmaktadır.
Sisteme sabit 3,0 V potansiyel 1 saat boyunca uygulanmış ve katotta açığa çıkan hidrojen gazı hacimleri
ölçülmüştür (Şekil 3b). Şekil 3b’den de görüldüğü gibi YÇ/Ni/CoZn-Pt elektrot çiftinin kullanıldığı durumda
daha fazla hidrojen gazı oluşmaktadır.
Elektrot çifti
d
E
/
V
η
/
V
Pt-YÇ 2,15
0,92
Pt-YÇ/Ni/CoZn 1,85 0,62
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
E / V
I /
mA
c
m
2
YÇ
YÇ/Ni/CoZn
(a)
21,
4 m
L
44
,6
m
L
0
10
20
30
40
50
VH
2
/ m
L
cm
2
YÇ
YÇ/Ni/CoZn
(b)
4. SONUÇLAR ve ÖNERİLER
1. Elde edilen sonuçlara göre yumuşak çelik elektrotun yüzeyinin Ni/CoZn ile kaplanması hidrojen gazı eldesi
için elektrotun etkinliğini arttırmaktadır. Aynı aşırı gerilimde YÇ/Ni/CoZn elektrotta daha yüksek akım ve
daha düşük direnç oluşmaktadır.
2. YÇ/Ni/CoZn elektrotunun katot olarak kullanıldığı durumda elektroliz sistemindeki aşırı gerilim düşmekte ve
daha fazla hidrojen gazı elde edilmektedir.
3. Bu sonuçlara göre YÇ/Ni/CoZn elektrotu hidrojen gazı üretiminde kullanıldığı zaman hidrojen gazı oluşumu
sırasında elektroliz sisteminde daha düşük direnç oluşur ve dolayısı ile de sistemde oluşan aşırı gerilimler için
daha az elektrik enerjisi harcanacaktır.
Teşekkür
Bu çalışmayı destekleyen, Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkür ederiz (Proje
No: FEF2004BAP9).
Kaynaklar
[1] J.O’M. Bokris, T.N. Veziroğlu, Int. J. Hydrogen Energy, 8(1983) 323–340.
[2] T.N. Veziroğlu and F. Barbir, Int. J. Hydrogen Energy, 17(1992) 391–404.
[3] B. Yazıcı, G. Kardaş, G. Galip ve M. Erbil, Int. J. Hyd. Energy, 20 (1995) 957–965.
[4] G. Kardaş, B. Yazıcı, M. Erbil, Int. J. Hydrogen Energy, 28 (2003) 1213–1218.
[5] C. Hitz, A. Lasia, J. Electroanal. Chem., 500 (2001) 213.
[6] R. Solmaz, Değişik Metal Elektrotlarla Elektrokimyasal Yolla Asidik ve Bazik Ortamlarda Hidrojen Gazı
Eldesi, Yüksek Lisans Tezi, 2004, ADANA.
[7] A. Altube, A.R. Pierna, F.F. Marzo. J. Non-Cris. Solids, 287 (2001) 297–301.
[8] M.U. Kleinke, M. Knobel, L.O. Bonugli ve O.Teschke, Int. J. Hyd. Energy, 22 (1997) 759–762.
Dostları ilə paylaş: |