Ökonomisch und explosionsfrei

Neues Brennstoffzellenkonzept zur katalytischen Herstellung von Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein wichtiges technisches Reagenz, das beispielsweise zum umweltfreundlichen Bleichen von Papier oder zur Abwasserbehandlung eingesetzt wird. Die bisherigen großtechnischen Herstellungsmethoden sind allerdings sehr engergieaufwendig und kostenintensiv. Eine neue Methode, die von japanischen Forschern entwickelt wurde, könnte als Basis für ein wesentlich ökonomischeres Verfahren dienen.

Das Team um Ichiro Yamanaka setzt auf die katalytische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid. Ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff nennt sich Knallgas, nicht zu Unrecht, denn es ist hochexplosiv. Daher wählten Yamanaka und seine Mitarbeiter eine Methode, die eine kontrollierte Umsetzung gewährleistet, ohne dass die beiden temperamentvollen Reaktanden miteinander in Berührung kommen – die elektrokatalytische Umsetzung in einer Brennstoffzelle. Besonderer Vorteil des Konzeptes: Gleichzeitig kann die bei der Umsetzung frei werdende Energie als elektrischer Strom abgefangen werden. Ihr ursprüngliches Brennstoffzellenkonzept verbesserten die Forscher jetzt weiter.
Erfolgsgeheimnis der neuen Brennstoffzelle ist eine dreiphasige Grenzfläche im Inneren der Kathode, der negativen Elektrode: Statt wie bisher Sauerstoff in eine Elektrolytlösung einzuleiten, wird der gasförmige Sauerstoff nun direkt auf eine feste, aber poröse Kathode geleitet, auf deren anderer Seite sich verdünnte Natronlauge als Elektrolytlösung befindet, die ebenfalls in die Poren eindringt. So kann eine höhere Sauerstoffkonzentration an der inneren Elektrodenoberfläche und damit ein höherer Umsatz erzielt werden. Analog wird auf der Anodenseite gasförmiger Wasserstoff auf eine ebenfalls poröse Anode geleitet.
Eine andere entscheidende Verbesserung besteht in einer Trennung der Elektrolytlösung in einen Kathoden- und einen Anodenraum durch eine halbdurchlässige Membran. Damit wird ein weiteres Problem gelöst, unter dem die Vorgängervariante litt: Das an der Kathode gebildete Wasserstoffperoxid kann nun nicht mehr an die Anode gelangen und dort zu Wasser abreagieren. Zu guter Letzt wurde auch die Wirksamkeit der katalytischen Graphit-Elektroden durch Zusatz verschiedener Additive weiter erhöht.
Auch mit Luft statt mit reinem – teurem – Sauerstoff bringt die Brennstoffzelle eine ausreichend hohe Leistung. Diese Tatsache macht das neue Konzept zu einer wirtschaftlich interessanten Alternative für die großtechnische Produktion von Wasserstoffperoxid.

Kontakt: Prof. Yamanaka
Department of Applied Chemistry
Graduate School of Science and Engineering
Tokyo Institute of Technology
Ookayama
Meguro-ku
Tokyo 152-8552
Japan