ELEKTROLİZ YÖNTEMİYLE HİDROJEN GAZI ELDESİ

Transkript

1 ELEKTROLİZ YÖNTEMİYLE HİDROJEN GAZI ELDESİ Gülfeza KARDAŞ, Ramazan SOLMAZ, Birgül YAZICI, Mehmet ERBİL Ç.Ü. Fen-Eebiyat Fakültesi Kimya Bölümü, 01330, Balcalı-ADANA ÖZET Bu çalışmaa yumuşak çelik (YÇ), ince nikel filmi ve bu filmin üzerine kobalt-çinko kaplanmış yumuşak çelik elektrotlara (YÇ/Ni/CoZn) 25 C e hirojen gazı elesi araştırılmıştır. Bu amaçla katoik polarizasyon, Elektokimyasal İmpeans Spektroskopisi (EIS) ve elektroliz tekniklerinen yararlanılmıştır. Ele eilen sonuçlar ince nikel kaplanmış yumuşak çeliğin yüzeyinin CoZn ile kaplanıktan sonra yüzeyeki aha aktif çinko metalinin çözülmesi ile ele eilen YÇ/Ni/CoZn elektrotunun hirojen gazı elesi için etkinliğinin olukça arttığını ve elektroliz sistemine kullanılığına sistemeki aşırı gerilimi üşürüğünü göstermiştir. Anahtar kelimeler: Hirojen, elektroliz, aşırı gerilim, nikel-kobalt-çinko kaplama, EIS. 1. GİRİŞ Günümüze ünya enerji kaynaklarının büyük çoğunluğunu oluşturan fosil yakıtların sınırlı kaynakları, fiyatlarının sürekli artması, insan ve çevreye olumsuz etkileri gibi neenleren olayı, bütün ünyaa ve özellikle e gelişmekte olan ülkelere alternatif enerji kaynakları üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktaır. Bunların içerisine HİDROJEN geleceğin yakıtı olarak kabul eilmekteir. Hirojen gazı çok yönlü kullanılabilirliği, yakıtın taşınması, enerji yoğunluğu, çevreye etkileri, efektif maliyet gibi alternatif enerji kaynaklarının genel özelliklerine tümü ile uyan tek enerji kaynağıır [1 2]. Geleceğin enerji kaynağı olarak gösterilen hirojen oğal bir yakıt olmayıp, su, hava, kömür ve oğal gaz gibi eğişik hammaeleren üretilebilen sentetik bir yakıttır. Hirojen gazı elesine en basit yöntem suyun elektrolizi olmakla birlikte elektroliz sistemine oluşan aşırı gerilimler bu yöntemin maliyetini arttırmaktaır. Bu ezavantajın gierilmesi için uygun elektrot ve çalışma ortamı araştırılmaktaır. Çalışma ortamı olarak genellikle yakıt hücrelerine e kullanılan KOH va NaOH çözeltileri kullanılmaktaır. Elektrolize kullanılacak elektrotların üşük aşırı gerilim göstermesi gerekmekteir [3, 4]. Son yıllara eğişik metaller katalitik etkinlikleri yüksek geçiş metalleri ile kaplanarak aha üşük aşırı gerilimli, elektrokimyasal olarak aha aktif elektrotlar ele eilmekteir. Literatüre eğişik metaller çinko ile birlikte kaplanıktan sonra yüzeyeki çinko metali çözülerek aha gözenekli elektrotlar hazırlanmıştır [5]. Ancak çözeltieki korozif iyonlar bu gözenekleren metal yüzeyine ifüzlenip elektrotun korozyonuna neen olmaktaır. Elektokatalitik etkinliklerinin yanına elektroliz yöntemine elektrot olarak kullanılacak metallerin çalışma ortamınaki korozyon ayanımları a olukça önemliir. Elektrotların korozyona uğraması hem elektrotun aşırı geriliminin arttırmasına ve hem e elektroliz çözeltisinin kirlenmesine neen olacaktır. Korozyon ile elektrotun ömrünün e kısalacağı unutulmamalıır. Elektrot yüzeylerinin ince bir nikel filmi ile kaplanması metallerin korozyon ayanımlarını olukça arttırmaktaır [6]. Bu neenle bu çalışmaa yumuşak çelik elektrotun yüzeyi önce ince bir nikel filmi ile kaplanıktan sonra CoZn ile kaplanmıştır. Kobalt metali hirojen gazı elesi için yüksek elektrokatalitik özelik göstermekteir [7 8]. 2. MATERYAL ve METOD Çalışma elektrotları 8 mm çapına silinirik bir yumuşak çelik çubuktan uzunluğu yaklaşık 5 cm olacak şekile kesilikten sonra iletkenliği sağlamak için bir ucu bakır tel ile bağlanmış ve saece iğer ucu açıkta kalacak şekile polyester ile kaplanmıştır. Bu şekile ele eilen elektrotun çözelti ile temas een yüzey alanı 0,50 cm 2 olmaktaır. 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). Kaplamaan önce elektrotların yüzeyi 600 gritlik zımpara kâğıı ile parlatılmış ve sırası ile saf su, aseton ve tekrar saf suan geçirilikten sonra kaplama banyosuna alırılmıştır. Kaplama banyolarının bileşimi;

2 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 ir. Kaplamalar elektroliz sistemine sabit 40 macm 2 akım, uygun sürelere uygulanarak oa koşullarına yapılmıştır. Yumuşak çelik elektrotun yüzeyi önce 10 µm kalınlığına Ni ile kaplanmış ve bu kaplamanın üzerine 50 µm kalınlığına CoZn kaplanmıştır. Hazırlanan YÇ/Ni/CoZn elektrot kaplamaan sonra % 30 luk NaOH çözeltisi içerisine 24 saat bekletilerek yüzeyineki aha aktif metal (Zn) çözülmüş ve böylece yüzey alanı arttırılmıştır. Katoik polarizasyon eğrileri ve impeans ölçümleri üç elektrot tekniği kullanılarak CHI 604 elektrokimyasal analiz cihazı ile yapılmıştır. Platin karşıt ve Ag/AgCl,Cl - (oy.) referans elektrot olarak kullanılmıştır. Katoik polarizasyon eğrileri -1,8 V ile korozyon potansiyeli aralığına 0,005 Vs -1 tarama hızı ile ele eilmiştir. İmpeans ölçümleri 100 khz ile 0,01 f 1 Hz frekans aralığına 0,005 V genlik uygulanarak yapılmıştır. Elektroliz sistemine platin anot ve çalışma elektrotları katot olarak kullanılmıştır. Bir oğru akım kaynağınan potansiyel 0,0 V tan itibaren 0,1 V arttırılarak 3,0 V a kaar uygulanmış ve ele eilen akım-potansiyel eğrilerinen her bir elektrot çifti için eneysel ayrışma gerilimleri belirlenmiştir. Aynı sisteme sabit 3,0 V potansiyel 1 saat boyunca uygulanmış ve çıkan hirojen gazı, içerisine elektrolit çözeltisi olurulmuş ve katot üzerine ters çevrilerek yerleştirilmiş bir büret içerisine toplanmıştır. Basınç üzeltmesi yapılarak saf hirojen hacmi belirlenmiştir [4]. 3. DENEYLER ve SONUÇLARI 3.1. Katoik Polarizasyon Eğrileri YÇ ve YÇ/Ni/CoZn elektrotları için ele eilen katoik polarizasyon eğrileri Şekil 1 e verilmiştir. Polarizasyon eğrilerinen 0,200 V aşırı gerilime belirlenen akım yoğunlukları Çizelge 1 e verilmiştir. Şekil 1 e bakılığına hirojen gazı çıkışı YÇ/Ni/CoZn elektrotta çıplak elektrota göre aha üşük potansiyele gerçekleşmiştir. Hirojen gazı oluşumu ile orantılı olan akım yoğunlukları aynı aşırı gerilimlere karşılaştırılığına kaplı elektrotta aha yüksek oluğu görülmekteir (Şekil 1, Çizelge 1). Şekil 1. Çalışma elektrotları için ele eilen katoik polarizasyon eğrileri.

3 Çizelge 1. Hirojen çıkış potansiyelinen itibaren 0,200V aşırı gerilime katoik polarizasyon eğrilerinen belirlenen akım yoğunlukları ve impeans ölçümlerinen belirlenen irenç eğerleri. Elektrot I / macm -2 R / Ω YÇ 5,01 24,3 YÇ/Ni/CoZn 27,48 1,68 Çalışma elektrotları için hirojen çıkışının gerçekleştiği eğişik aşırı gerilimlere Nyquist eğrileri ele eilmiş ve 0,200 V aşırı gerilime ele eilen eğriler Şekil 2 e verilmiştir. AC impeans tekniği ile ele eilen Nyquist eğrilerine en üşük ve en yüksek frekanslar arasınaki uzaklık (ele eilen yarı elipsin çapı) sistemeki polarizasyon irencini verir. 0,200 V aşırı gerilimlere ele eilen eğrileren belirlenen irenç eğerleri Çizelge 1 e verilmiştir. Şekil 2 ve Çizelge 1 inceleniğine yumuşak çeliğin yüzeyinin Ni/CoZn ile kaplanması ile polarizasyon irencinin üştüğü görülmekteir. Çıplak elektrotta 0,200 V ta irenç 24,3 Ω iken YÇ/Ni/CoZn elektrotta olukça üşük, 1,68 Ω olmaktaır. Bu eğerler YÇ/Ni/CoZn elektrotuna hirojen gazı oluşumu sırasına çok aha üşük bir irençle karşılaşılığını ve YÇ/Ni/CoZn elektrotunun hirojen gazı üretimi için olukça uygun, aha ekonomik olabileceğini göstermekteir. Nikel, kobalt vb gibi metallerin hirojen gazı elesi için olukça etkin olukları bilinmekteir. Kobalt, çinko ile birlikte kaplanıktan sonra yüzeyineki çinkonun çözülmesi ile ele eilen elektrot aha geniş yüzey alanına sahiptir. YÇ/Ni/CoZn elektrotunun çıplak elektrota oranla aha aktif olması kobalt metalinin elektrokatalitik özelliği ve yüzey alanının artması ile açıklanabilir. 3.3 Elektroliz Şekil 2. 0,200 V aşırı gerilime çalışma elektrotları için ele eilen Nyquist eğrileri. İki elektrot tekniği ile katot olarak kullanılan YÇ ve YÇ/Ni/CoZn elektrotları için ele eilen akım-potansiyel eğrileri Şekil 3a a verilmiştir. Şekil 3a an a görülüğü gibi yaklaşık 1,7 V a kaar iki eğri e birbirine benzemekte ve sistemleren hemen hemen hiç akım geçmemekteir. Bu potansiyelen itibaren (~1,7 V) katotta hirojen ve anotta a oksijen gazı çıkışı neeni ile akım yoğunluklarına hızlı bir artış olmaktaır. Çıplak elektrotla kıyaslanığına YÇ/Ni/CoZn elektrotta gaz çıkışı aha erken (üşük potansiyele) başlamaktaır. Ele eilen eğrilerin oğrusal kısımları uzatılarak kesim noktalarınan her bir çalışma elektrotu-pt çifti için eneysel ayrışma gerilimleri ( E ) belirlenmiştir.

4 160 I / macm YÇ YÇ/Ni/CoZn VH 2 / mlcm ,4 ml 44,6 ml ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 YÇ YÇ/Ni/CoZn E / V (a) (b) Şekil 3. İki elektrot tekniği ile ele eilen akım potansiyel eğrileri (a) ve sabit 3,0 V potansiyel uygulanması ile 1 saat sonuna çalışma elektrotlarına açığa çıkan hirojen gazı hacimleri (b). Alkali suyun elektrolizi sırasına anotta oksijen ve katotta hirojen 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 e tersinir ayrışma gerilimi 1,23 V tur. Teorik olarak katotta hirojen ve anotta oksijen çıkışının gerçekleşebilmesi için sisteme 1,23 V potansiyel uygulanmalıır. Fakat sistemeki aşırı gerilimler neeni ile (aktivasyon aşırı gerilimi, ifüzyon aşırı gerilimi, çözelti aşırı gerilimi vb) 1,23V tan aha yüksek potansiyel uygulanması gerekmekteir. Sistemeki aşırı gerilim (η ) eğerleri aşağıaki eşitlik ile hesaplanmış ve eneysel ayrışma gerilimleri ( E ) ile birlikte Çizelge 2 e verilmiştir. η = E tr 1,23 (4) Çizelge 2. Deneysel ayrışma gerilimi ve aşırı gerilim eğerleri. Elektrot çifti E / V η / V Pt-YÇ 2,15 0,92 Pt-YÇ/Ni/CoZn 1,85 0,62 Çizelge 2 en e görülüğü gibi YÇ/Ni/CoZn elektrotunun katot olarak kullanılığı uruma elektroliz sistemineki aşırı gerilim aha az olmaktaır. Sisteme sabit 3,0 V potansiyel 1 saat boyunca uygulanmış ve katotta açığa çıkan hirojen gazı hacimleri ölçülmüştür (Şekil 3b). Şekil 3b en e görülüğü gibi YÇ/Ni/CoZn-Pt elektrot çiftinin kullanılığı uruma aha fazla hirojen gazı oluşmaktaır.

5 4. SONUÇLAR ve ÖNERİLER 1. Ele eilen sonuçlara göre yumuşak çelik elektrotun yüzeyinin Ni/CoZn ile kaplanması hirojen gazı elesi için elektrotun etkinliğini arttırmaktaır. Aynı aşırı gerilime YÇ/Ni/CoZn elektrotta aha yüksek akım ve aha üşük irenç oluşmaktaır. 2. YÇ/Ni/CoZn elektrotunun katot olarak kullanılığı uruma elektroliz sistemineki aşırı gerilim üşmekte ve aha fazla hirojen gazı ele eilmekteir. 3. Bu sonuçlara göre YÇ/Ni/CoZn elektrotu hirojen gazı üretimine kullanılığı zaman hirojen gazı oluşumu sırasına elektroliz sistemine aha üşük irenç oluşur ve olayısı ile e sisteme oluşan aşırı gerilimler için aha az elektrik enerjisi harcanacaktır. Teşekkür Bu çalışmayı estekleyen, Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkür eeriz (Proje No: FEF2004BAP9). Kaynaklar [1] J.O M. Bokris, T.N. Veziroğlu, Int. J. Hyrogen Energy, 8(1983) [2] T.N. Veziroğlu an F. Barbir, Int. J. Hyrogen Energy, 17(1992) [3] B. Yazıcı, G. Karaş, G. Galip ve M. Erbil, Int. J. Hy. Energy, 20 (1995) [4] G. Karaş, B. Yazıcı, M. Erbil, Int. J. Hyrogen Energy, 28 (2003) [5] C. Hitz, A. Lasia, J. Electroanal. Chem., 500 (2001) 213. [6] R. Solmaz, Değişik Metal Elektrotlarla Elektrokimyasal Yolla Asiik ve Bazik Ortamlara Hirojen Gazı Elesi, Yüksek Lisans Tezi, 2004, ADANA. [7] A. Altube, A.R. Pierna, F.F. Marzo. J. Non-Cris. Solis, 287 (2001) [8] M.U. Kleinke, M. Knobel, L.O. Bonugli ve O.Teschke, Int. J. Hy. Energy, 22 (1997)