シンプル、低コスト、及び水溶液で化学反応により発生した水素の体積を測定するための堅牢なシステム

要約

The study of methods to generate on-demand hydrogen for fuel cells continues to grow in importance. However, systems to measure hydrogen evolution from the reaction of chemicals with water can be complicated and expensive. This article details a simple, low-cost, and robust method to measure the evolution of hydrogen gas.

要約

There is a growing research interest in the development of portable systems which can deliver hydrogen on-demand to proton exchange membrane (PEM) hydrogen fuel cells. Researchers seeking to develop such systems require a method of measuring the generated hydrogen. Herein, we describe a simple, low-cost, and robust method to measure the hydrogen generated from the reaction of solids with aqueous solutions. The reactions are conducted in a conventional one-necked round-bottomed flask placed in a temperature controlled water bath. The hydrogen generated from the reaction in the flask is channeled through tubing into a water-filled inverted measuring cylinder. The water displaced from the measuring cylinder by the incoming gas is diverted into a beaker on a balance. The balance is connected to a computer, and the change in the mass reading of the balance over time is recorded using data collection and spreadsheet software programs. The data can then be approximately corrected for water vapor using the method described herein, and parameters such as the total hydrogen yield, the hydrogen generation rate, and the induction period can also be deduced. The size of the measuring cylinder and the resolution of the balance can be changed to adapt the setup to different hydrogen volumes and flow rates.

概要

その高いエネルギー密度と、リチウムイオン電池は、現在、携帯消費者電子機器のための最も人気のある動力源の一つです。しかしながら、電池によって供給することができるエネルギー量は限られています。ポータブル電源を提供する別の方法を開発することに現在大きな関心が存在します。より有望な方法の一つは、水素と酸素を組み合わせて、電気と水を生成するプロトン交換膜（PEM）燃料電池の使用です。 PEM燃料電池は、電池の上に2つの主な利点を持っています。 （水素の流れが維持される限り）まず、PEM燃料電池は、時間のかなり長い期間のための電力を提供することができます。第二に、燃料源に依存して、PEM燃料電池は、より小さなシステムがより多くのエネルギーを与えることができることを意味し、電池よりもはるかに大きなエネルギー密度を有することができる^。1,2-この結果、指向研究の現在大量ありますポータブル、オンデマンド水素源の開発に^。2-現在多くの注目を受 ​​けている7つの方法は、水と化学物質を反応させることにより水素の生成である^。8,9

これらの反応で測定されなければならない最も重要なパラメータの1つは、水素の発生です。そのような水溶液に化学水素貯蔵材料の添加による水素の発生のような単純な反応については、簡単な、低コストの測定システムを有することが有利です。そのようなシステムの例は、化学反応で発生したガスの体積を単に反転水で満たされたメスシリンダーからずれた水の量を追跡することによって測定される水置換法です。この技術は^、18世紀には、植物学者スティーブン・ヘイルズによって開発され、その後、適応と酸素を含むいくつかのガスを分離するためにジョセフ・プリーストリーによるその最も有名な使用に置かれた空気圧トラフ、発祥^。10,11水置換法水と、水素を含む水に特に可溶性ではなく、まだ広くそのような水素化ホウ素ナトリウム、アルミニウム、及びフェロシリコン等の様々な化学物質の反応から発生した水素の量を記録するために使用される任意のガスに適用可能です^{。12- 20}

しかし、ガスが発生される水位の変化を手動で記録を伴う古典的な水置換法は、面倒であり、水位が急激に変化したとき、それは実験のために困難であるように、高いガス流量で、不正確であることができます正確な読み取りを取ります。実験者は、現実的に10秒〜よりも小さい間隔で測定値を取ることができないように手動で記録されたデータは、また時間分解能で本質的に低いです。

いくつかの研究は、経時的体積の変化を抽出するために、水置換工程とデータ解析ソフトウェアを記録するためにカメラを使用することによって、この問題を克服している^。21-25を但し、このRをコンピュータプログラミングと比較的高価な機器の知識をequires。他の研究者は、水素の流れを記録するための質量流量計を使用してきた^{。26-29しかしながら} 、これらは多くの場合、狭い範囲にわたってガスを検知することができるだけであり、流量が比較的一定に維持される用途に適していますレベル。

高い解像度を得るための簡単な方法は、より正確なデータは、マスバランスに配置されている受信機の容器内に水素の発生により置換された水を流すようになる^。30-35本明細書に記載され、この方法のバリエーションは、一般的な実験室グレードのガラス製品を利用し、水酸化ナトリウム溶液を用いてシリコンの反応からの水素発生を記録するための低コストの、市販のバランス。むしろ、手動で記録されているよりも、データの残高は、コンピュータにデータを送信することを可能にするデータ収集ソフトウェアパッケージを使用してスプレッドシートに記録されています。そうすべきこの技術は、ミリリットルスケールでの水素発生を測定するために適切であるが、それの体積（これは、メスシリンダーの制限されたサイズ（）によるバランスの不確実性）が非常に小さい測定するのに適した、または非常に大規模ではないことに留意され（ すなわち、より高解像度のバランス以上のメスシリンダーを使用して）適切な適応なしの水素。

プロトコル

データロギングソフトウェアの1.セットアップ

1. RS232シリアルポートを装備したコンピュータにデータ収集や表計算ソフトをインストールしてください。
2. 適切なRS232コネクタケーブルを使用して、天びんにコンピュータを接続します（この方法でコンピュータとバランスの両方が9ピンのコネクタが必要）。バランスは、通常、COM1に接続されます。
3. データ収集ソフトウェアを開きます。
4. スプレッドシート内のデータをログに記録（ 例えば 、エクセル）、「モード」に行き、その後、「キーストロークを送信する'、'アプリケーションタイトルバーのテキスト」に表計算ソフトの適切な名前を入力し、選択し「EXCEL.EXE」にするには'コマンドライン'の場合は、「OK」を押します。チェックマークは、「モード」ドロップダウンメニューで「キーストロークを送信]の横に表示されます。
5. 「OK」を押し、次に「設定」、「ポート」に移動し、値が問題のバランスに適切であることを確認;。
6. その後、「定義」、次に「入力データ・レコードの構造を定義する」に移動し、セクション「録音イベントの終了」で「受信キャリッジリターンまたはCRLF 'セクションに録音イベントの開始'とで「数値文字を受信」を選択しますEnterキーを押して「続行します」。
7. 「入力レコード構造」と題するボックスが表示されたら、選択し「各データレコードには、単一のデータフィールドが含まれている 'とし、'続行」を押します。
8. 「入力レコード定義エディタ - キーストローク送信モード」と題するボックスがときに表示されます：フィールド1に、 '{タブ} {分}'の数値データのみ」と「フィールドポストアンブルキーストローク 'に'入力フィルタ」を設定します：{セカンド} {LEFT} {DOWN} 'とを押し' 'OK。
9. その後、「ホットキーとホットアクションを定義」、「定義」に移動します。ホットキー1を選択して、[ホットキーアクション「サスペンドWinWedge」を選択し、このホットキー「BACKSPACE」のキーストローク、押しを割り当てOK。
10. 「ファイル」、次に「名前を付けて保存」に移動し、適切なフォルダにメソッドを保存します。

2.実験セットアップ

1. それは約¾いっぱいになるまでガラスのボウルに水を追加します。その後、50℃に温度制御された攪拌機ホットプレートや熱にガラスボウルを置きます。代わりに、サーモスタット制御水浴を使用しています。
2. これは、浴中の水のレベルが十分にフラスコ内の水のレベルより上であるように、水浴中で丸底フラスコ位置50mlに脱イオン水（5 ml）を加えます。
3. （平衡化した後、フラスコ内の水の温度は、通常、ホットプレート上の設定ポイントより〜5℃低い）水の温度を監視するために、丸底フラスコの首に温度計を挿入します。
   注：フラスコ内の水の温度は10分間かけて一定のまま時のセットアップの準備ができています。
4. 脱イオン水を入れたビーカーを埋めます。
5. データロギングバランスの上に空のビーカーを置きます。
6. データロギングバランスに空のビーカーにビーカーの注ぎ口から水を転送することができますプラスチックシートから橋を構築します。プラスチックブリッジはデータロギングバランスにビーカーと物理的に接触していないことを確認してください。
7. 脱イオン水でメスシリンダー500ミリリットルを埋めます。
8. 手袋をはめた手で開放端を覆いながら、メスシリンダーを反転し、メスシリンダーの開放端がちょうど水の表面の下になるようにビーカーに入れてください。
9. 2つのボスを取り付けレトルトスタンドを使用して、メスシリンダーを支持するようにクランプします。メスシリンダーのサイズに応じて、レトルトのベース上の場所のカウンターウェイトは、水の重量に落下するのを防ぐために立ちます。
10. 注ぎ口は、プラスチック製のブリッジと接触するようにビーカーの位置を調整します。
11. 慎重にメスシリンダーを上げます水と空気の進入の放出は、メスシリンダー内の空気のレベルは各実験の開始時に一貫していることを保証するためLLOW（例えば、空気を100ml）。
12. チューブの長さに変更されたアダプタの非すりガラス接合端を挿入します。慎重にジョイントとチューブの間の接続の周りにパラフィルムを包むことによってシール。
13. メスシリンダーの中にチューブの端を挿入します。
14. 過剰な水の添加がビーカーにいくつかの水を加えることによって、それはバランスの上にオフに実行していることになりますことを確認してください。リークは、ビーカーの注ぎ口とプラスチック橋の間の接続で高流量で発生する可能性があります。
15. 残高がゼロを読んでいないことを確認してください。必要に応じて、データロギングバランス上のビーカーにいくつかの水を追加します。
16. 天秤を用いて、小さなガラスバイアルに0.05、0.10、0.15、0.20、またはシリコン0.25gのいずれかを量ります。いくつかのシリコンは、内側に捕捉される傾向にあるようなプラスチック計量ボートを使用しないでくださいそれは秤量ボートから反応混合物に添加し、フラスコの首。この問題は、代わりに、迅速に、フラスコの首に小さなガラスバイアルを反転させることにより回避されます。

3.実験手順

1. 浴内の水のレベルが十分にフラスコ内の水のレベルより上であるように、水浴中で50 mlまで水酸化ナトリウム溶液（5ml、20重量％）を丸底フラスコ及び位置にこれを追加します。
2. （平衡化した後、このセットアップでフラスコ内の水の温度は、通常、ホットプレート上の設定ポイントより〜5℃低い）溶液温度を監視するために、丸底フラスコの首に温度計を挿入します。
3. 平衡化し、10分間のままにしておきます。
4. 平衡期間が終了する前に、表計算ソフトのパッケージに新しいスプレッドシートを開き、データ収集ソフトウェアを開きます。データ収集ソフトウェア上で「ファイル」に移動して、ステップ1で作成したメソッドを読み込みメニューを起動し、「Openメソッド」。
5. 10分の平衡期間が終了に起因する直前に、「有効化」に移動したあと、「ノーマルモード」をクリックします。データは、表計算ソフトのパッケージに記録されて開始されます。
6. 10分の平衡期間の終了時に、迅速にガラスバイアルを反転し、水酸化ナトリウム溶液中にシリコンを堆積させることによりシリコンを追加します。
7. 急速に丸底フラスコの首にチューブに取り付けられたアダプタのすり合わせを配置します。バランスをゼロ。残高がゼロにされた瞬間には、データ解析における時間（t）= 0と見なされます。
8. 10分が経過した後、バックスペースキーを押し、次にデータ収集ソフトウェアメニューの「終了」オプションを選択することで、データロギングを停止します。表計算ソフトウェアパッケージ中のファイルを保存します。
9. 丸底フラスコからチューブに取り付けられているアダプタを外し、QUEに水を追加反応をNCH。
10. 遠心分離または重力濾過により、さらなる分析のためにフラスコ内の固体残渣を分離し、またはビーカーに反応混合物全体を転送し、塩酸（1M）で中和し、適切に廃棄物を処分します。

4.データ解析

1. データが適切な表計算ソフトウェアパッケージにロードされていることを確認してください。
2. 残高がゼロにされる点を探します。この反応の（T）= 0点であると考えられます。
3. これを先行するデータを削除します。
4. このデータの左に列を挿入します。これは時間が含まれます。
5. ただ挿入された列に、ゼロから出発し、適切な時間間隔を追加します。これらの研究で使用されるバランスは、毎秒8.5のデータ点を記録し、及び0.117647（= 1 / 8.5）秒のこのような時間間隔を使用しました。
6. 水の上に収集された検討するガスは、水蒸気で飽和させます。収集時にはイオン処理は、メスシリンダー内の水位は、大気圧でメスシリンダー内の圧力を維持するように調整します。
7. 混合物中のガス（P ₁ ... P _n）での個々の分圧の合計が全圧（Pの_TOT）に等しいことを述べてドルトンの法則を用いて、近似補正係数を適用します。室温で298 Kである場合、水蒸気の分圧は31,69.9 Paであり、メスシ​​リンダー内のガスの全圧が大気圧（101325 Pa）であり、3.08％が約あることを計算することができるように回収ガス中の体積で水蒸気。当該温度での水蒸気の分圧を使用して、他の温度での水素中の水蒸気の量を推定します。
8. （室温で298 Kである場合）、生成された水素の量の推定値を得るために、0.97によるガス量を乗算。
9. 最初の水力発電を推定水素発生曲線の初期の急勾配に線形トレンドラインを当てはめることにより、世代の発生率。
10. 水に要する時間は、メスシリンダーから変位するよう誘導期間を取ります。誘導期間のこれらの推定値は絶対的なものではありません。水素の一定量の水を移動開始することができるように生成されなければならないように、実際の水素発生反応は、これらの実験で推定「誘導期間」の終了前に開始します。しかし、これらの値は、実験間の誘導期間の相対的な変化の評価を可能にします。

結果

実験設定の再現性を調べるために、シリコンの変化質量は、水素を生成するために、水酸化ナトリウム溶液と反応させました。各反応は三連で行いました。平均水素発生曲線を、 図1にも計算されたシリコンの各質量の平均全水素収率、水素発生速度、誘導期間を示しており、 図2、図3に1標準偏差を表すエラーバーでプロットし、4それぞれ。反応の間の総水素収率および水素発生率の非常に小さな偏差、誘導期の偏差のより高いレベルがありました。

図1： をReactiからの水素生成曲線の例ケイ素の水性水酸化ナトリウムとシリコンの上に種々の質量（0.05、0.10、0.15、0.20 0.25 g）を50℃の水酸化ナトリウム水溶液（5 mlであり、20重量％）と反応させました。水素発生は、10分間にわたって記録しました。反応は三連で実施し、結果を平均した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2： 水性水酸化ナトリウムとケイ素の反応からの水素収率の値の例は、10分間で発生する水素の総量は、水素発生曲線から推定しました。シリコンの各質量の平均総水素収率が得られ、プロットしました。大量のOとの間に直線関係があることがわかります反応及びこれらの反応条件の下で発生する水素の量で使用されるFシリコン。エラーバーは、全水素の収率の1標準偏差を表す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3： 水性水酸化ナトリウムとケイ素の反応からの水素発生量の値の例は、シリコンの各質量のための水素発生の初期または最大速度は、水素発生曲線から計算しました。シリコンの各質量の平均初期または最大の水素生成速度を求め、プ​​ロットしました。平均して、反応に使用されるシリコンの質量及び初期または最大水素Gとの間の電力関係があることがわかりますこれらの反応条件下で観察enerationレート。エラーバーは、初期または最大水素発生率の1標準偏差を表す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4： 水性水酸化ナトリウムとケイ素との反応から誘導期間値の一例は、シリコンの各質量のための水素発生用の誘導期間は、水素発生曲線から推定しました。シリコンの各質量の平均誘導期間を得て、プロットしました。平均して、実験の間に誘導期間には大きな変化がないことが分かります。エラーバーは、初期または最大水素発生速度の標準偏差を表します。REF = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/54383/54383fig4large.jpg"ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5は 、次善の実験からのいくつかの代表的な結果を示しています。約400と710秒に減少した水の表面張力に起因滴の蓄積200と800秒の結果との間の水素この場合、低流量。これらのしずくが最大の水素発生率の計算には影響しませんがドリップが落ちる前に、たとえば、測定を停止した、場合、彼らは総水素収率に影響を与える可能性があります。いずれかのガスのより高い流量または防止するための反応のセットアップを確実にするために（ここでは、例えば、アルミニウム - シリコン合金のより大きな質量を追加または水酸化ナトリウムのより高い濃度を使用して）、反応条件を変更する必要がありますしずくの蓄積。

キープtogether.withinページ
図5：サブ最適実験例本実験では、アルミニウム（65.7％） -シリコン（34.3％）合金（0.3 g）を40℃の水酸化ナトリウム水溶液（5 mlであり、10重量％）と反応させ。流れが形成される滴の水の結果の表面張力を遅くするように水素発生の初期の高速での水素発生の記録は、最適であるけれども。しずくは、この場合には、約400と710秒落ち。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ディスカッション

プロトコルの最も重要なステップは、実験の開始時に発生するものです。これらの加水分解反応の速度の大きな温度依存性が大きいケア溶液温度は、固体の添加前に平衡に達したことを保証するために注意しなければならないことを意味します。固体は、アダプタのすり合わせが正しく丸底フラスコの首に挿入されている必要があり、迅速かつ完全に添加しなければならない、とのバランスが、その後可能な限り迅速にゼロにする必要があります。開始時間と反応温度の不正確な測定は、誤った結果を生成します。

この方法は、いくつかの制限があります。メスシリンダーを挿入するビーカー、測定シリンダーからずれた水が急速に平衡にプラスチックブリッジの下導かれることを確実にするために実行可能な限り狭いことが必要です。そうでなければ、水の表面張力は、を可能にします低流量で水位の低い蓄積水の全てが大点滴中に放出される時点まで（ 図5参照）。

バランスの誤差もデータの解像度を制限します。これらの実験では、±0.05 gを誤差とのバランスは、水素の数百ミリリットルを生成する際に十分である、使用された、より小さな体積が測定された場合に小さい誤差とのバランスが必要となります。

バランスの上に橋から置換された水のしずくのように、バランスによって記録された質量は、ドリップがバランスの上に低下すると、バランスが一時的に少し大きめの質量を記録し、 すなわち 、振動します。これは、ソフトウェアパッケージを用いて高時間分解能生データの分化が勾配が振動するような問題があることを意味します。最も適切な方法は、水素発生曲線の最も急な部分の勾配、したがって、水素生成速度を見つけるために、私それに直線をフィットし、その勾配を計算することです。

自動的にスプレッドシートにデータを記録することにより、この方法は、手動で発生したガスの体積を記録に依存している水置換法に関する精度と時間分解能の有意な改善を提供しています。それは、ガス発生を追跡するために、カメラと画像解析ソフトウェアを使用する方法よりもコストがかなり低いにもかかわらずしかし、それは、時間分解能で一般に低く、このようなカメラベースの方法は、水に起因する質量バランス測定値を振動の問題を回避します液滴を形成し、したがってより容易に区別することによって処理することができるデータを生成します。

水置換法は、水中で低い溶解度を有する任意のガスの回収にも適用可能です。したがって、この実験プロトコルは、難水溶性のガスを発生する他の化学反応からのガス発生速度の測定のために変更することができますエス。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
WinWedge software	Taltech		http://www.taltech.com/winwedge
High Resolution Top Loader Balance	LW Measurements, LLC	HRB6001	http://www.lwmeasurements.com/HRB-6001-High-Resoultion-Top-Loader-Balance-p/hrb6001.htm
Silicon	Sigma Aldrich	215619	325 mesh
Sodium hydroxide	Sigma Aldrich	221465	Reagent grade
Aluminium (65.7%)-silicon (34.3%) alloy	Goodfellow	275-274-74
Excel	Microsoft		https://products.office.com/en-us/excel
Glass sample vials, 50 x 12 mm	Scientific Laboratory Supplies	TUB1152
Plastic sheet			Recycled from a smooth-sided plastic drinks bottle
Silicone tubing, 5 x 8 mm BxO D	Scientific Laboratory Supplies	TUB3806
Parafilm (2 in. by 250 ft.)	Sigma Aldrich	P7543
Adapter	Sigma Aldrich	Z415685	We used a custom-made adapter in our set-up, but this type of fitting would serve the same function