Vid industriell produktion av klor, speciella elektroder har nyligen introducerats, som förbrukar mycket mindre ström än konventionella system. Metoden kräver att syre införs i en varm, högkoncentrerad natriumhydroxidlösning i vilken den är dåligt löslig. Det är fortfarande oklart hur industriella strömtätheter kan uppnås under dessa förhållanden. I samarbete med ingenjörer från Technical University of Clausthal, forskare från Centre for Electrochemical Sciences (CES) vid Ruhr-Universität Bochum har fått ny insikt i processerna som involverar dessa typer av elektroder, även kallade syredepolariserade katoder. Teamet inklusive Alexander Botz, Denis Öhl och prof Dr. Wolfgang Schuhmann rapporterar om sina resultat i tidskriften Angewandte Chemie , publicerades online den 3 augusti 2018.

Klor är en viktig råvara för den kemiska industrin. Det produceras genom elektrolys av bordssalt och vatten, med natriumhydroxid och väte som produceras som biprodukter i den konventionella processen. Medan de syreförbrukande katoderna kräver syre som utgångsmaterial, biprodukten väte elimineras – med en elbesparing på cirka 30 procent. Reaktionen sker vid 80 grader Celsius i högkoncentrerad natriumhydroxid. Syre är mycket dåligt lösligt under dessa förhållanden. "Dessa typer av elektroder har använts industriellt i flera år, men vi förstår inte varför de faktiskt fungerar, " förklarar Wolfgang Schuhmann, Chef för Institutionen för analytisk kemi och CES.

Med sina experiment, forskarna visade att reaktionsförhållandena förändras konstant under klorproduktion. Tre faser möts nära den syreförbrukande katoden, som består av fasta silverpartiklar badade i högkoncentrerad flytande natriumhydroxid, medan gasformigt syre tvingas in i systemet bakifrån. Än så länge, forskare har främst studerat koncentrationen av det reagerande syret i fastfasmiljön, utveckla modeller som tillskriver denna parameter den höga strömtätheten.

För den aktuella studien, Bochum-forskarna utvecklade en metod för att analysera processerna i vätskefasen. De placerade en tunn mikroelektrod - bara 100:e tjockleken på ett människohår - direkt på ytan av den arbetande syreförbrukande katoden. Med detta, de spårade förändringarna i vattnet och koncentrationerna av hydroxidjoner (OH-), som uppstår i reaktionen. Resultatet:Koncentrationen av vatten och hydroxidjoner på elektrodytan visar intensiva fluktuationer genom reaktionsförloppet och är inte enhetlig genomgående.

"Vi har misstänkt i flera år att det måste finnas betydande lokala koncentrationsfluktuationer inuti elektroden som kan bidra till de höga strömtätheterna, " förklarar Schuhmann.

"Dessa drastiska förändringar har ännu inte beaktats i modellerna som speglar reaktionen, ", säger Alexander Botz. "Resultaten är oerhört viktiga för den framtida optimeringen av sådana elektroder."

Bochum-teamet hoppas få ännu mer insikt i detaljerna i reaktionsmekanismen. "Dessa undersökningar är viktiga för utvecklingen av gasdiffusionselektroder, som kommer att ha stor betydelse i framtiden för bindningen av CO ₂ från luften och därmed bidra till att minska utsläppen av växthusgaser, " förklarar Schuhmann.