Forbedret forståelse af industrielle elektrodeprocesser

I den industrielle produktion af klor, specielle elektroder er for nylig blevet introduceret, som bruger meget mindre strøm end konventionelle systemer. Metoden kræver, at ilt indføres i en varm, højkoncentreret natriumhydroxidopløsning, hvori den er dårligt opløselig. Det er stadig uklart, hvordan industrielle strømtætheder kan opnås under disse forhold. I samarbejde med ingeniører fra det tekniske universitet i Clausthal, forskere fra Center for Elektrokemiske Videnskaber (CES) ved Ruhr-Universität Bochum har fået ny indsigt i de processer, der involverer disse typer elektroder, også omtalt som oxygen-depolariserede katoder. Holdet inklusive Alexander Botz, Denis Öhl og prof Dr. Wolfgang Schuhmann rapporterer om deres resultater i tidsskriftet Angewandte Chemie , offentliggjort online den 3. august 2018.

Klor er et vigtigt råstof til den kemiske industri. Det fremstilles ved elektrolyse af bordsalt og vand, med natriumhydroxid og brint, der produceres som biprodukter i den konventionelle proces. Mens de oxygenforbrugende katoder kræver oxygen som udgangsmateriale, biproduktet brint er elimineret - med en besparelse på cirka 30 procent i elektricitet. Reaktionen sker ved 80 grader Celsius i højkoncentreret natriumhydroxid. Ilt er meget dårligt opløseligt under disse forhold. "Disse typer elektroder er blevet brugt industrielt i årevis, men vi forstår ikke, hvorfor de rent faktisk virker, " forklarer Wolfgang Schuhmann, Leder af Institut for Analytisk Kemi og CES.

Med deres eksperimenter, forskerne viste, at reaktionsbetingelserne ændrer sig konstant under klorproduktionen. Tre faser mødes nær den iltforbrugende katode, som består af faste sølvpartikler badet i højkoncentreret flydende natriumhydroxid, mens gasformig ilt presses ind i systemet bagfra. Så langt, forskere har hovedsageligt undersøgt koncentrationen af ​​det reagerende oxygen i fastfasemiljøet, udvikling af modeller, der tilskriver den høje strømtæthed denne parameter.

For den aktuelle undersøgelse, Bochum-forskerne udviklede en metode til at analysere processerne i væskefasen. De placerede en tynd mikroelektrode - kun 100. tykkelsen af ​​et menneskehår - direkte på overfladen af ​​den arbejdende iltforbrugende katode. Med dette, de sporede ændringerne i vandet og koncentrationerne af hydroxidioner (OH-), som opstår i reaktionen. Resultatet:Koncentrationen af ​​vand og hydroxidioner på elektrodeoverfladen viser intense fluktuationer gennem reaktionsforløbet og er ikke ensartet hele vejen igennem.

"Vi har i årevis haft mistanke om, at der må være betydelige lokale koncentrationsudsving inde i elektroden, som kunne bidrage til de høje strømtætheder, " forklarer Schuhmann.

"Disse drastiske ændringer er endnu ikke blevet overvejet i modellerne, der afspejler reaktionen, " siger Alexander Botz. "Resultaterne er enormt vigtige for den fremtidige optimering af sådanne elektroder."

Bochum-teamet håber at få endnu mere indsigt i detaljerne i reaktionsmekanismen. "Disse undersøgelser er afgørende for udviklingen af ​​gasdiffusionselektroder, som vil få stor betydning i fremtiden for bindingen af ​​CO ₂ fra luften og dermed bidrage til en reduktion af udledningen af ​​drivhusgasser, " forklarer Schuhmann.