PerDemand: Verbesserte Materialien für die elektrochemische Synthese technischer Peroxide

Motivation

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 und der Transport der instabilen Peroxide zu den meist dezentralen Anwendern mit entsprechendem Logistikaufwand verbunden.

Die elektrochemische Herstellung von Wasserstoffperoxid bietet einen alternativen Ansatz zum herkömmlichen, energieintensiven Anthrachinon-Verfahren. Neben H₂O₂ kann, durch die Wahl des Elektrolyten, die direkte Synthese technischer Peroxide in einer Elektrolysezelle ermöglicht werden. Hier ist nicht nur der Vorteil, dass regenerativer Strom als Energiequelle eingesetzt werden kann, sondern auch, dass die Anlagen modular und dezentral direkt am Ort der Anwendung verwendet werden können. Somit sinkt der Logistikaufwand und die durch den Transport emittierten Treibhausgase können vermieden werden. Relativ weit entwickelt ist dabei die Reduktion von Sauerstoff zu H₂O₂ 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, da BDD als Katalysator für die OH-Radikal Erzeugung wirkt. Die Kombination beider Prozesse in einer Zelle verspricht dabei einen insgesamt sehr hohen Wirkungsgrad (bis max. 200% kombinierte Stromausbeute) und soll in diesem Projekt für die Synthese technischer Peroxide demonstriert werden.

Ziele

Im Rahmen des Projektes PerDemand soll die Optimierung bekannter Elektrodenmaterialien vorangetrieben werden, wodurch eine Erhöhung der Selektivität der elektrochemischen Synthese technischer Peroxide bei gleichzeitiger Langzeitstabilität der Materialien erzielt werden soll. Die primären Ziele des DFI sind zum einen das Verständnis, wie verschiedene Elektrolyten die Elektrodenreaktionen und gebildeten Produkte beeinflussen und wie die verschiedenen Peroxid-Spezies im Gleichgewicht stehen. Zum anderen sollen Gasdiffusionselektroden für die Reaktion optimiert und umfangreich charakterisiert werden. Anschließend soll der Gesamtprozess durch Kombination der beiden Halbzellenreaktionen demonstriert und die verwendeten Materialien für deren Einsatz im Gesamtprozess weiterhin optimiert werden. Die erzeugten Peroxid-Mischungen werden umfangreich charakterisiert, Strategien zur Aufreinigung entwickelt und die Möglichkeit zur direkten Anwendung elektrochemischer technischer Peroxide in vorhandene industrielle Prozesse von Endnutzern evaluiert.