Bij de industriële productie van chloor, speciale elektroden zijn onlangs geïntroduceerd, die veel minder stroom verbruiken dan conventionele systemen. De methode vereist dat zuurstof in een hete, sterk geconcentreerde natriumhydroxide-oplossing waarin het slecht oplosbaar is. Het is nog onduidelijk hoe onder deze omstandigheden industriële stroomdichtheden kunnen worden bereikt. In samenwerking met ingenieurs van de Technische Universiteit van Clausthal, onderzoekers van het Center for Electrochemical Sciences (CES) van de Ruhr-Universität Bochum hebben nieuw inzicht gekregen in de processen met dit soort elektroden, ook wel zuurstofgedepolariseerde kathoden genoemd. Het team, waaronder Alexander Botz, Denis Öhl en prof.dr. Wolfgang Schuhmann rapporteren over hun resultaten in het tijdschrift Angewandte Chemie , online gepubliceerd op 3 augustus 2018.

Chloor is een belangrijke grondstof voor de chemische industrie. Het wordt geproduceerd door elektrolyse van keukenzout en water, waarbij natriumhydroxide en waterstof worden geproduceerd als bijproducten in het conventionele proces. Terwijl de zuurstofverbruikende kathoden zuurstof als uitgangsmateriaal nodig hebben, het bijproduct waterstof wordt geëlimineerd - met een besparing van ongeveer 30 procent op elektriciteit. De reactie vindt plaats bij 80 graden Celsius in sterk geconcentreerd natriumhydroxide. Zuurstof is onder deze omstandigheden zeer slecht oplosbaar. "Dit soort elektroden worden al jaren industrieel gebruikt, maar we begrijpen niet waarom ze eigenlijk werken, " legt Wolfgang Schuhmann uit, Hoofd van de afdeling Analytische Chemie en CES.

Met hun experimenten, de onderzoekers toonden aan dat de reactieomstandigheden constant veranderen tijdens de chloorproductie. Drie fasen ontmoeten elkaar nabij de zuurstofverbruikende kathode, die bestaat uit vaste zilverdeeltjes badend in hooggeconcentreerd vloeibaar natriumhydroxide, terwijl gasvormige zuurstof van achteren in het systeem wordt geperst. Zo ver, onderzoekers hebben voornamelijk de concentratie van de reagerende zuurstof in de vaste-faseomgeving bestudeerd, het ontwikkelen van modellen die de hoge stroomdichtheid aan deze parameter toeschrijven.

Voor het huidige onderzoek de wetenschappers van Bochum ontwikkelden een methode om de processen in de vloeibare fase te analyseren. Ze plaatsten een dunne micro-elektrode - slechts 100ste van de dikte van een mensenhaar - direct op het oppervlak van de werkende zuurstofverbruikende kathode. Hiermee, ze volgden de veranderingen van het water en de hydroxide-ionen (OH-) concentraties, die bij de reactie ontstaan. Het resultaat:de concentratie van water- en hydroxide-ionen op het elektrodeoppervlak vertoont intense fluctuaties in het verloop van de reactie en is niet overal uniform.

"We vermoeden al jaren dat er aanzienlijke lokale concentratieschommelingen in de elektrode moeten zijn die kunnen bijdragen aan de hoge stroomdichtheden, ", legt Schuhmann uit.

"Deze drastische veranderingen zijn nog niet overwogen in de modellen die de reactie weerspiegelen, " zegt Alexander Botz. "De resultaten zijn enorm belangrijk voor de toekomstige optimalisatie van dergelijke elektroden."

Het team van Bochum hoopt nog meer inzicht te krijgen in de details van het reactiemechanisme. "Deze onderzoeken zijn essentieel voor de ontwikkeling van gasdiffusie-elektroden, wat in de toekomst van groot belang zal zijn voor de binding van CO ₂ uit de lucht en dragen zo bij aan een vermindering van de uitstoot van broeikasgassen, ", legt Schuhmann uit.