Verbesserte Materialien für die elektrochemische Synthese technischer Peroxide
Peroxide spielen eine wichtige Rolle in vielen Industrie- und Gewerbebereichen. Als Oxidationsmittel finden sie Anwendung in der chemischen Industrie, als Bleichmittel, zur Desinfektion oder Metallätzung. In sehr vielen Anwendungen wird nicht Wasserstoffperoxid (H2O2) selbst eingesetzt, sondern technische Peroxide (z.B. Percarbonat, Persulfat, Peressigsäure), welche zuvor aus H2O2 hergestellt werden. Aktuell wird H2O2 fast ausschließlich im Anthrachinon-Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren benötigt jedoch große Mengen Erdgas und erzeugt entsprechende CO2-Emissionen. Außerdem ist es nur an zentralen, großen Anlagen wirtschaftlich zu betreiben, mit entsprechendem Logistikaufwand, die instabilen Peroxide zu den meist dezentralen Anwendern zu transportieren.
Eine Alternative bietet die elektrochemische Peroxid-Herstellung. Hier ist nicht nur der Vorteil, dass regenerativer Strom als Energiequelle eingesetzt werden kann, sondern auch, dass die Anlagen modular und dezentral direkt an Ort der Anwendung verwendet werden können. Somit sinkt auch der Logistikaufwand. Relativ weit entwickelt ist dabei die Reduktion von Sauerstoff zu H2O2 an der Kathode mittels Gasdiffusionselektroden (GDE). Andererseits wird seit einigen Jahren auch die partielle Oxidation von Wasser zu H2O2 an halbleitenden Anoden wie bor-dotiertem Diamant (BDD) erforscht. Die Kombination beider Prozesse verspricht dabei einen insgesamt sehr hohen Wirkungsgrad wurde aber in dieser Form noch nicht detailliert untersucht. Das Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung von Elektrodenmaterialien für einen Prozesses zur dezentralen elektrochemischen Peroxid-Erzeugung mit hoher Effizienz durch Kombination von Anoden- und Kathodenprozess.
Nach derzeitigem Wissen muss der Anodenprozess in einem passenden Elektrolyten (bspw. konzentriertes Kaliumcarbonat) durchgeführt werden, um eine hohe Effizienz zu erreichen. Dies bedeutet, dass auch der Kathodenprozess in einem ähnlichen Elektrolyten ablaufen sollte, um den osmotischen Druck über die Membran zu reduzieren oder diese sogar ganz weglassen zu können. Die GDE sind aber nicht für den Einsatz in solchen Elektrolyten optimiert und müssen daher angepasst werden. Außerdem entsteht insgesamt so ein komplexes Gemisch aus H2O2, dem Elektrolyt sowie ggf. im Gleichgewicht vorliegenden technischen Peroxiden. Hier stellt sich die Frage nach geeigneten Aufreinigungsverfahren. Gleichzeitig bietet dies jedoch auch die Chance, direkt vor Ort die eigentlich benötigten technische Peroxide wie Percarbonat zu erzeugen und somit den zusätzlichen Schritt zu deren Erzeugung zu überspringen.
Im Einzelnen sollen daher in diesem Projekt zunächst die Kinetiken der elektrochemischen Prozesse an kommerziellen BDD und GDE in verschiedenen Elektrolyten untersucht werden. Auf Basis der so erlangten Erkenntnisse sollen die Elektrodenmaterialen zur Effizienz- und Stabilitätssteigerung weiterentwickelt werden. Anschließend soll der Gesamtprozess durch Kombination der beiden Halbreaktionen demonstriert und optimiert werden. Die erzeugten Peroxid-Mischungen werden umfangreich charakterisiert, Strategien zu Aufreinigung entwickelt und die Möglichkeit zur direkten Anwendung evaluiert.
