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Neues Brennstoffzellenkonzept zur katalytischen Herstellung von Wasserstoffperoxid
08.08.2003
Wasserstoffperoxid 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.
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