4. Cấu trúc của đề tài
1.4.2 Quá trình điện phân nước
Sự điện phân nước được coi là một nguyên tắc nổi tiếng để tạo ra oxy và khí hydro. Hình 1.7 là sơ đồ của một tế bào điện hóa. Lõi của một đơn vị điện phân là tế bào điện hóa, nơi chứa đầy nước tinh khiết và có hai điện cực được kết nối với nguồn điện bên ngoài. Tại một điện áp xác định, được gọi là điện áp tới hạn, giữa hai điện cực, các điện cực bắt đầu tạo ra khí hydro ở điện cực âm và khí oxy ở điện cực dương. Lượng khí sản xuất trên mỗi đơn vị thời
(5)
(6)
gian liên quan trực tiếp đến dòng điện đi qua tế bào điện hóa. Trong nước, luôn có một tỷ lệ nhất định giữa các loại ion: H + và OH- được biểu thị bằng phương trình cân bằng:
Hình 1.7. Phác thảo một tế bào tách nước điện hóa [33]
Khí oxy và hydro có thể được tạo ra ở các điện cực kim loại quý bằng cách điện phân nước:
Điện cực dương (anode): Điện cực âm (cathode):
Trong trường hợp nước có tính axit hoặc cơ bản, các phản ứng xảy ra ở giao diện điện cực hơi khác nhau.
Trong điện phân nước, không có phản ứng phụ nào có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn, do đó phương trình cân bằng là:
(8)
(9)
(10)
Điện áp tế bào cần thiết tối thiểu để bắt đầu điện phân, tế bào , được đưa ra theo điều kiện tiêu chuẩn (P, T là hằng số) theo phương trình sau:
Trong đó ∆Go là sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs trong điều kiện tiêu chuẩn và n là số lượng điện tử dịch chuyển. Trong trường hợp của một tế bào điện hóa kín, thay vì ∆Go, ∆Ao - năng lượng tự do (Helmholtz) được sử dụng.
Điện áp cần thiết để một electron vượt qua hàng rào năng lượng Helmholtz được đưa ra dưới đây:
Để phản ứng bắt đầu, cần phải vượt qua hàng rào năng lượng (thêm), gọi là năng lượng kích hoạt Eact. Số lượng phân tử có thể vượt qua hang rào năng lượng này là tác nhân kiểm soát tốc độ phản ứng, r, và nó được đưa ra bởi biểu thức liên hệ thống kê Maxwell - Boltzman theo hàm mũ: r ~ ro exp (-Eact
/RT). Vì vậy, năng lượng kích hoạt biểu thị tốc độ xảy ra phản ứng.
Hiệu suất tối đa có thể có của một tế bào điện hóa khép kín lý tưởng được xác định bởi phương trình sau đây:
Trong thực tế, hiệu suất của nó được xác định:
Trong đó, Eelec là thế khởi phát của tế bào điện hóa tại cường độ dòng I
Trong đó R là tổng trở nối tiếp của tế bào điện hóa, bao gồm điện trở mạch ngoài, chất điện phân, các điện cực, vật liệu màng ngăn; là tổng các quá thế (overpotential- quá thế hoạt động tại các điện cực, và quá thế tập trung do
(12)
(14)
(15) (13)
sự vận chuyển khối lượng của các khí bay ra từ bề mặt các điện cực). Năng lượng cân bằng, trên mỗi mol, trong quá trình điện phân nước được biểu diễn ở hình 1.8. Quá thế hoạt động tăng khi mật độ dòng tăng và có thể giảm bằng cách sử dụng các điện cực với các chất xúc tác điện hóa, như bạch kim (Pt).
Hình 1.8. Các mức năng lượng trong một phản ứng điện hóa[25]
Đối với quá trình điện phân nước, dưới điều kiện thuận nghịch lý tưởng, hiệu suất cực đại theo lý thuyết có thể đạt được max = 120 %. Chính vì vậy, nhiệt phải truyền từ môi trường xung quanh vào tế bào. Khi mẫu số trong biểu thức (16) trở thành 1.48 nF (quá thế bằng 0.25 V), tế bào điện hóa đạt hiệu suất 100%. Với những điều kiện này (∆S = 0, Ση = 0, so ∆G = ∆Η), tế bào không nóng lên hoặc lạnh đi, và giá trị Εtn= ∆Η / nF = 1.48 V được gọi là thế trung hòa nhiệt (thermoneutral). Tế bào điện hóa tỏa nhiệt khi thế trên 1.48 V và thu nhiệt tại thế nhỏ hơn 1.48 V, với điều kiện nhiệt độ của tế bào điện hóa được giữ không đổi.
Trong thực tế, độ giảm thế IR có thể đạt giá trị 0.25 V. Quá thế cần được giữ ở giá trị thấp để cho hiệu suất đạt cực đại và giảm thiểu nhiệt sinh ra. Mặt khác, nếu hạ thấp quá thế, phản ứng xúc tác điện hóa sẽ xảy ra chậm hơn. Vì vậy, một trong những giải pháp tốt nhất là tăng cường độ dòng điện mà không làm tăng quá thế là tăng bề mặt tiếp xúc giữa các điện cực và chất điện phân [25].