LA PRODUCCIN DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS DE AGUA USANDO

CIDO ELECTROLITOS LQUIDOS INICOS ALQUILO-TETRA-AMONIO-SULFNICO

h i g h i l g h t s

Un mejor desempeo de la electrlisis del agua, medida por HER se observa con TEAePS $ BF4.

El nuevo procedimiento de electrlisis funciona con altas deficiencias fi ciencia y altas densidades de corriente.

Aumenta la produccin de hidrgeno a medida que aumenta la temperatura.

Este proceso disminuye la energa de activacin para la electrlisis del agua.

a b s t r a c t

cido Triethylammoniumepropanesulfonic tetra fl uoroborate (TEAePS $ BF4) se utiliza como un electrolito en la electrlisis del agua. La electrlisis del agua con este conductor inico produce altas densidades de corriente con altas deficiencias fi ciencia, incluso a temperatura ambiente. Un sistema que utiliza TEAePS $ BF4 en una celda electroqumica

con electrodos de platino tiene densidades de corriente (i) hasta 1,77 cm 2 A y ef deficiencias entre 93 y 99%

en temperaturas que oscilan entre 25 C a 80 C.

La energa de activacin observada con TEAePS $ BF4 es ca. 9,3 kJ mol 1, un valor bajo que se puede explicar por la facilitacin del transporte de protones en los medios lquido inico acuosa organizada.

El inesperadamente alta eficiencia de este sistema es discutido por teniendo en cuenta las altas productividades con- asociados con las caractersticas de acidez de Brnsted y Lewis asociados con estos materiales conductores inicos.

1. Introduccin

Sostenibilidad global depende del equilibrio de varios factores, incluyendo las fuentes de energa y la produccin de la contaminacin del medio ambiente [1]. El hidrgeno, una fuente de energa con alta potencial de mejora de la capacidad de almacenamiento de energa, ha generado un creciente inters como una tecnologa limpia para el medio ambiente [2,3].

El hidrgeno utilizado en aplicaciones industriales se produce actualmente por reacciones de reformado cataltico [4E7]. Varios otros mtodos de produccin de hidrgeno se han desarrollado, incluyendo la electrlisis del agua. El inters en estos otros procesos se limita, principalmente por razones econmicas [8]. Los factores ms importantes en una la evaluacin de tecnologas de produccin de hidrgeno novedosos son el costo y la disponibilidad de energa de procesamiento, un factor que depende de las condiciones geopolticas y vara en diferentes pases de todo el mundo.

Las reacciones que se producen en medio del nodo y el ctodo de electrlisis se puede escribir de la siguiente manera:

La disponibilidad de hidrgeno limpio producido a partir de electrlisis de agua tiene un enorme impacto en la eleccin de la clula de combustible tecnologa utilizada para producir energa. El uso histrico de metales nobles, tales como paladio, para electrodos de pilas de combustible ya no es necesaria para resistir los contaminantes presentes en el hidrgeno sintetizado por las reacciones de reformado. El costo de este tipo de metales puede cambiar el contexto en el que esta tecnologa es importante y viable.

Con una combinacin de alta conductividad y estabilidad, los lquidos inicos (ILS) se han utilizado con xito como electrolitos para la electrlisis del agua y en otras aplicaciones [9e13].

La disponibilidad de los electrolitos que son capaces de realizar la electrlisis del agua con altas deficiencias fi ciencia y altas densidades de corriente se ha considerado como el factor limitante en el uso industrial econmico de la electrlisis, lo que representa una contribucin no desdeable en el desarrollo y implementacin de una economa del hidrgeno [14,15].

ILs basados imidazolio se han utilizado en el ciente directa fi ciencia electrlisis del agua a temperatura ambiente usando bajas concentraciones de 1-butil-3-methylimidazoliumtetra fl uoroborate (IMC $ BF)IL [14,16].

Incluso con caractersticas de estabilidad de reaccin favorables, un importante limitacin en el desarrollo de la tecnologa utilizando IL es el gasto y el extenso tiempo necesario para su sntesis.

En este trabajo se describen nuevos tipos de lquidos inicos que demuestran tanto de Brnsted y Lewis caractersticas de acidez [17]. Estos lquidos inicos son fcilmente preparado a partir de reactivos de bajo costo utilizando procedimientos simples con tiempos de reaccin cortos. Un compuesto tpico, 3triethylammoniumepropanesulfonic cido tetra fl uoroborate (TEAE PS $ BF ), Demuestra las capacidades ventajosas como un electrolito en electrlisis del agua.

El cido 3-fluoro triethylammoniumepropanesulfonic tetra borato (TEAePS $ BF4) se prepara por una reaccin de 3-triethyla mmoniumepropanesultonate (TEAePS) con fluoruro de tetra fl uoroborate cido (HBF4).

2.1. Preparacin de TEAePS y TEAePS $ BF4

Los TEAePS se prepara usando procedimientos disponibles en la literatura [18]. En una reaccin tpica, 51,38 g de 1,3-propanosultona (Aldrich) y 42,46 g de trietilamina (VETEC) se mezclan con

20 ml de acetato de etilo [19]. La reaccin se agit a 50C durante 2 h y se filtra, produciendo un slido blanco. El precipitado se lava con tres partes alcuotas de 10 ml de acetato de etilo y se sec a 100C durante 2 h, produciendo 3-triethylammoniumepropanesultonate (TEAePS) como una

polvo blanco [18] con un rendimiento del 61%. [1H RMN (300 MHz, DMSO, ppm):

d 1,18 (t, 3H), 1,89 (m, 2H), 3,21 (m, 2H), 3,42 (m, 2H)].

El TEAePS $ BF4 se prepara haciendo reaccionar 56,78 g de TEAePS disuelto en 4,6 ml de agua y 31,5 ml de tetra fl cido uoroboric (Riedel-de-Han) a temperatura ambiente. Despus de 2 horas a 90 C, el agua se elimin a presin reducida, produciendo 75,98 g de tetra cido 3-triethylammoniumepropanesulfonic fl uoroborate

(TEAePS $ BF4) como un lquido viscoso blanco en un rendimiento del 96%. [1H NMR

(300 MHz, DMSO, ppm): d 1,17 (t, 3H), 1,88 (m, 2H), 3,22 (m, 2H),

3,32 (m, 2H), 4,23 (s, 1H). 13C RMN (75 MHz, DMSO, ppm): 7,00 d,

17.78, 47.35, 51.97, 54.88].

2.2. Los procedimientos analticos

Espectros vibracionales (FTIR) se obtuvieron usando un espectrmetro Shimadzu Modelo FT-IR RT-21 Prestige (pastillas de KBr). Resonancia magntica (RMN) Nuclear se obtuvieron utilizando un Varian VNMRs 300 usando sulfxido deuterado de dimetilo (DMSO) como disolvente y tetrametilsilano (TMS) como patrn interno. La conductividad (s) de las soluciones se midi utilizando un Hach sension metro 7 conductividad. Los valores de pH se determinaron usando un pHmetro Digimed DM-22.

2.3. electrlisis

Los experimentos de electrlisis del agua se llevan a cabo en una celda 100 ml Hoffmann [20] con hilos de platino como la referencia, trabajar y contraelectrodos. El rea del electrodo de trabajo es de 0,23 cm2. La concentraciones del electrolito utilizado en la clula vari en el intervalo de 0,1 a 0,7 M, y la temperatura se controla por un bao termosttica en el intervalo de 25 C a 80 C.

La deficiencia ef sistema se calcula como la faradaica eficiencia (n), define como la relacin entre el volumen de hidrgeno producido (VR, H2) en el compartimiento catdico durante el electroqumica reaccin de desprendimiento de hidrgeno (HER) y el volumen ideal de hidrgeno que se deberan haber producido(VT,H2) si el carga medida haba sido utilizado completamente en la electrlisis de agua proceso:

donde VR, H2 es el volumen de hidrgeno medido experimentalmente utilizando la celda Hoffmann, y VT, H2 es el volumen terico de hidrgeno calcula mediante la siguiente ecuacin

donde Q es la carga correspondiente al producto de la corriente intensidad y tiempo (valor medido por el equipo), R es el gas constante, T es la temperatura absoluta, P es la presin y F es la

Constante de Faraday.

Vale la pena sealar que el (1-n) plazo corresponde slo a la mandar pasado en reacciones paralelas, como la corrosin o electrolito descomposicin.

3. Resultados y discusin

El compuesto zwitterinico 3-triethylammoniumepropanesultonate (TEAePS), un polvo blanco con un punto de fusin de 144C,

Se prepara mediante la reaccin de los materiales de bajo costo 1,3-propanosultona y trietilamina (vase el Esquema 1). Este compuesto ha sido descrito como activo en reacciones catalizadas por cidos, incluyendo la dimerizacin de olefinas [18,19].

El buen desempeo de TEAePS / HCl en reacciones de dimerizacin puede haber resultado de las caractersticas de cidos de Lewis y Brnsted de estos tipos de compuestos, lo que sugiere que estos candidatos deben ser evaluados en el proceso de electrlisis del agua utilizando electrolito

[18]. Uso de una solucin 0,1 M, pruebas iniciales indican que estos compuestos tenan poca efectividad en la electrlisis del agua, produciendo densidades de corriente con potenciales de? 1,7 V y? 2,0 V en 678 mA cm-2 y 862 mA cm -2, Respectivamente.

Un proceso alternativo para mejorar el comportamiento de TEAePS era desarrollado por TEAePS que reaccionan y HBF4, Como se muestra en el Esquema 2.

La reaccin tiene 2 h en 90C, produciendo 3-triethylammoniume cido tetra fluoroborate propanosulfnico (TEA-PS.BF4), Un blanco viscoso IL. Este IL tiene caractersticas duales tanto de Lewis y cidos Brnsted que demuestran caractersticas mejoradas como un electrolito en la electrlisis del agua.

La formacin de TEA-PS.BF4) se puede observar usando espectroscopa de IR, como se muestra en la Fig. 1.

Las caractersticas ms importantes de estos espectros son los OEH

corriendo en 3434 cm

? 1

, CEN corriendo en 1641 cm

, La CEH

estira en 2938 y la flexin en tanto 1.492 y 1.397 cm

.

Los espectros de TEAePS con S] asimtrica O corriendo en

1224 cm

? 1

y 1187 y SEO corriendo en 1037 cm

[16] son

superpuesto en TEAePS $ BF

con el BeF muy fuerte estiramiento en

1039 cm

? 1

[21,22].

En combinacin con el

1

4

H RMN y

13

Los anlisis de RMN C discute en

La parte experimental, estos resultados caracterizan la formacin de

TEAePS $ BF

.

El uso de TEAePS $ BF

4

como un significativo electrolito producido

mejoras en el rendimiento de la reaccin de electrlisis, como

se muestra en la Fig. 2, que contiene valores seleccionados de la corriente

densidades observadas con los sistemas experimentales y otros similares

descrito en la literatura.

4

Estos resultados sugieren que TEAePS $ BF

significativamente mejora

las densidades de corriente con un aumento acompaada por la cantidad

de hidrgeno producido a partir de la electrlisis del agua, en comparacin

tanto con KOH y el IMC $ BF

4

4

electrolitos. A? 2,0 V, los sistemas

utilizando el IMC $ BF

(0,7 M) y KOH (0,7 M) producen densidades de corriente

de 80 y 583 mA cm

4

? 2

, Respectivamente, con la TEAePS $ BF

(0,7 M)

producir 800 mA cm sistema

? 2

. Deficiencias de alta fi ciencia (93e99%) son

observado en todas las concentraciones, lo que sugiere que la mejora en

la produccin de hidrgeno fue significativa con notable econmica

consecuencias. Un estudio ms detallado de la reaccin diferente

parmetros se ha realizado.

El comportamiento de TEAePS $ BF

como un electrolito para la electrlisis del agua

se investiga inicialmente para determinar las condiciones correspondientes

a la limitacin de corriente, segn lo determinado por la corriente

densidad frente a la curva de potencial se muestra en la Fig. 3.

4

Los aumentos de densidad de corriente continua con el aumento

potencial hasta? 5,8 V, como se muestra en la Fig. 3. Este valor lmite ms

4

? 1

? 1

4

? 1

?