Einsatz von Batterien zur Herstellung von Wasserstoffperoxid aus der Luft für industrielle Anwendungen
"Diese Methode ist sehr nachhaltig, kostengünstig und sehr energieeffizient"
Wasserstoffperoxid (H2O2) wird u. a. als Bleichmittel, Desinfektionsmittel und Oxidationsmittel eingesetzt. Die industrielle Produktion von H2O2 ist jedoch teuer und verbraucht viel Energie, da bei der Herstellung seltene und wertvolle Metallkatalysatoren verwendet werden. Forscher am Indian Institute of Science (IISc) haben eine alternative Produktionsstrategie für H2O2 vor Ort entwickelt, die auch industrielle Schadstoffe wie giftige Farbstoffe abbauen kann.
Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Zn-Luft-Batterie und des Farbstoffabbaus
AJB lab, IISc
Die Wissenschaftler haben eine Zink-Luft-Batterie eingesetzt, in der durch Sauerstoffreduktion H2O2 erzeugt wird. "Zink ist ein reichlich vorhandenes und historisch verwendetes Element ... es ist in Indien sehr billig und reichlich vorhanden", sagt Aninda J Bhattacharyya, Professor am Interdisziplinären Zentrum für Energieforschung (ICER) und der Abteilung für Festkörper- und Strukturchemie (SSCU) und korrespondierender Autor der in Small Methods veröffentlichten Studie.
Eine Metall-Luft-Batterie hat ein Metall wie Zink als Anode (negative Elektrode) und Umgebungsluft als Kathode (positive Elektrode). Wenn sich die Batterie entlädt - also Energie freisetzt - wird der Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der Kathode reduziert, wobei H2O2 entsteht.
Die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff erfolgt auf zwei Wegen, von denen einer zur Bildung von H2O2 führt. "Die Strategie besteht hier darin, das Ausmaß der Sauerstoffreduktionsreaktion zu kontrollieren. Wenn man sie nicht in gewissem Maße kontrolliert, wird sie einfach zu Wasser", erklärt Bhattacharyya.
Diese Kontrolle lässt sich mit speziellen Katalysatoren erreichen. "Wir verwenden einen metallfreien Katalysator auf Kohlenstoffbasis", sagt Asutosh Behera, Erstautor und Doktorand an der SSCU. Diese preiswerten Katalysatoren treiben die Reaktion normalerweise auf dem Weg der Wasserbildung voran, wobei die Selektivität gegenüber H2O2 geringer ist. Werden jedoch bestimmte chemische Modifikationen an diesen Katalysatoren vorgenommen, wie z. B. das Hinzufügen von funktionellen Sauerstoffgruppen, so wird die Selektivität der Reaktion auf die Bildung von H2O2 ausgerichtet.
Bhattacharyya erklärt, dass die Verwendung einer Batterie zur direkten Herstellung von H2O2 ein neuartiger Ansatz ist. "Man muss keine anderen Dinge tun. Man hat eine Batterie und lässt sie laufen. Wir haben die Spannung so gedrosselt, dass sie nur noch H2O2 produziert".
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Batterien ist, dass sie zusätzlich zu den chemischen Reaktionen auch elektrische Energie erzeugen oder speichern. "Wir produzieren also nicht nur H2O2, sondern speichern auch Energie, da die Reaktion innerhalb der Zelle stattfindet", fügt Bhattacharyya hinzu.
Das erzeugte H2O2 muss nachgewiesen werden, da es farblos ist. Dies kann durch die Zugabe eines Farbstoffs geschehen, eines giftigen Schadstoffs, der in der Textilindustrie hergestellt wird. Wenn H2O2 erzeugt wird, reagiert es mit dem Farbstoff, baut ihn ab und verändert seine Farbe. "Das erzeugte H2O2 zerfällt weiter in verschiedene Radikale (wie Hydroxid und Superoxid) - hochreaktive organische Spezies -, die schließlich den Textilfarbstoff abbauen", erklärt Behera. Dieser Abbau trägt dazu bei, die Effizienz der H2O2-Produktion zu erhöhen und den giftigen Farbstoff zu beseitigen.
"Es gibt einige grundlegende Herausforderungen, die überwunden werden müssen", stellt Bhattacharyya fest. Eine Metall-Luft-Batterie besteht zum Beispiel aus drei Phasen - fest (Zink), flüssig (Elektrolyt) und gasförmig (Luft). Das macht ihre Handhabung schwieriger als bei den meisten Batterien mit nur zwei Phasen.
Trotz dieser Herausforderungen sind die Forscher davon überzeugt, dass die Strategie skalierbar ist und auch andere Anwendungen, wie die Stromerzeugung an abgelegenen Orten, möglich sind. "Diese Methode ist sehr nachhaltig, kostengünstig und sehr energieeffizient", sagt Bhattacharyya.
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