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Industrielle Elektroden besser verstehen

Was ist das Geheimnis der industriellen Chlorproduktion?

| Autor/ Redakteur: Julia Weiler * / Christian Lüttmann

Moderne Verfahren zur industriellen Chlorproduktion sparen etwa 30 Prozent Strom gegenüber früheren Modellen. Warum die neuen Methoden unter den geringeren Stromdichten überhaupt so gut funktionieren, ist jedoch ein Rätsel. Um es zu lösen haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum die Prozesse an den eingesetzten Elektroden genauer untersucht und erste Erkenntnisse gewonnen. Diese könnten künftig auch helfen, Kohlendioxid einzusparen.

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Gerade einmal ein Hundertstel so dick wie ein menschliches Haar ist die Elektrode, die die Forscher für ihre Versuche nutzten.
Gerade einmal ein Hundertstel so dick wie ein menschliches Haar ist die Elektrode, die die Forscher für ihre Versuche nutzten.
(Bild: RUB, Marquard)

Bochum – Für die industrielle Produktion von Chlor kommen seit einiger Zeit Elektroden zum Einsatz, die weniger Strom verbrauchen als herkömmliche Verfahren. Bei der Methode wird Sauerstoff in heiße, hoch konzentrierte Natronlauge eingeleitet – worin er schlecht löslich ist. Bisher ist allerdings unklar, wie die industriellen Stromdichten unter diesen Bedingungen überhaupt erreichbar sind. Forscher vom Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum haben nun gemeinsam mit Ingenieuren der Technischen Universität Clausthal neue Erkenntnisse über die Abläufe an den Elektroden, auch als Sauerstoffverzehrkathoden bezeichnet, gewonnen.

Das Verfahren funktioniert und spart Strom – aber warum?

Chlor ist ein wichtiger Ausgangsstoff für die chemische Industrie. Es wird durch Elektrolyse aus Kochsalz und Wasser hergestellt, wobei im herkömmlichen Verfahren als Nebenprodukte Natronlauge und Wasserstoff entstehen. Die Sauerstoffverzehrkathoden benötigen als Ausgangsstoff Sauerstoff und bilden keinen Wasserstoff als Nebenprodukt – dafür sparen sie etwa 30 Prozent Strom.

Die Reaktion findet bei 80 °C in hoch konzentrierter Natronlauge statt. Bei diesen Bedingungen ist Sauerstoff extrem schlecht löslich. „Die Elektroden werden seit Jahren industriell eingesetzt, aber man versteht nicht, warum sie überhaupt funktionieren können“, sagt Wolfgang Schuhmann, Leiter des Lehrstuhls für Analytische Chemie am Bochumer Zentrum für Elektrochemie.

Mit ihren Experimenten zeigten die Forscher, dass sich die Reaktionsbedingungen während der Chlor-Produktion ständig ändern. In der Umgebung der Sauerstoffverzehrkathode, die aus Silber besteht, treffen drei Phasen aufeinander: Feste Silberpartikel werden von hoch konzentrierter flüssiger Natronlauge umspült, während von der Rückseite gasförmiger Sauerstoff in das System gepresst wird. Bislang haben Forscher hauptsächlich die Konzentration des reagierenden Sauerstoffs in der Umgebung der festen Phase untersucht und Modelle entwickelt, nach denen dieser Parameter für die hohe Stromdichte verantwortlich ist.

Gravierende lokale Konzentrationsschwankungen

Für die aktuelle Studie entwickelten die Bochumer Wissenschaftler nun eine Methode, mit der sie auch die Vorgänge in der flüssigen Phase, also der Natronlauge, analysieren konnten. Sie positionierten eine hauchdünne Elektrode – gerade einmal ein Hundertstel so dick wie ein menschliches Haar – direkt an der Oberfläche der arbeitenden Sauerstoffverzehrkathode. Mit dieser verfolgten sie die Veränderungen des Wassers und der Hydroxid-Ionen, welche in der Reaktion entstehen. Das Ergebnis: Die Konzentration von Wasser und Hydroxid-Ionen an der Elektrodenoberfläche schwankt im Lauf der Reaktion extrem stark und nicht überall gleichmäßig.

Ein Teil des Bochumer Teams: Alexander Botz, Denis Öhl und Tsvetan Tarnev (von links)
Ein Teil des Bochumer Teams: Alexander Botz, Denis Öhl und Tsvetan Tarnev (von links)
(Bild: RUB, Marquard)

„Wir haben schon vor Jahren vermutet, dass es gravierende lokale Konzentrationsschwankungen im Inneren der Elektrode geben muss, die zu den hohen Stromdichten beitragen könnten“, schildert Schuhmann. Sein Mitarbeiter Alexander Botz ergänzt: „Diese drastischen Veränderungen sind bisher nicht in den Modellen berücksichtigt, die die Reaktion abbilden sollen. Für künftige Optimierungen solcher Elektroden sind die Ergebnisse von enormer Bedeutung.“

Verbesserte Elektroden zum Binden von CO2?

Das Bochumer Team möchte gemeinsam mit Kooperationspartnern künftig noch mehr Einblicke in die Details des Reaktionsmechanismus gewinnen. „Diese Untersuchungen sind essenziell für die Entwicklung von Gasdiffusionselektroden, die künftig eine große Bedeutung beim Binden von CO2 aus der Luft haben werden und so einen Beitrag zu einer Verringerung der Emission von Treibhausgasen haben“, erklärt Schuhmann.

Originalpublikation: Alexander Botz, Jan Clausmeyer, Denis Öhl, Tsvetan Tarnev, David Franzen, Thomas Turek, Wolfgang Schuhmann: Local activities of hydroxide and water determine the operation of Ag-based oxygen depolarized cathodes.Angewandte Chemie International Edition, 2018; DOI: 10.1002/anie.201807798

* Dr. J. Weiler, Ruhr-Universität Bochum, 44801 Bochum

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