Fortschritte bei der nachhaltigen Wasserstoffperoxid-Produktion
Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein umweltfreundliches Oxidationsmittel mit einer breiten Palette von Anwendungen in der Industrie und der Medizin. Die weltweite Nachfrage nach H2O2 wird bis 2028 voraussichtlich 5,7 Millionen Tonnen jährlich erreichen, so dass die Suche nach nachhaltigen, umweltfreundlichen Produktionsmethoden immer wichtiger wird. Die elektrochemische H2O2-Synthese bietet eine vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen industriellen Verfahren und hat das Potenzial für eine dezentrale Produktion vor Ort, die mit erneuerbarer Energie betrieben wird. In einer aktuellen Studie untersuchte ein Team von Forscher*innen des MPI CEC und der Universität Duisburg-Essen unter der Leitung von Viktor Čolić, Max-Planck-Forschungsgruppenleiter am MPI CEC, die elektrochemischen Prozesse hinter der H2O2-Erzeugung an Kohlenstoffelektroden und beleuchtete, wie strukturelle Faktoren wie Defekte, funktionelle Sauerstoffgruppen und das Vorhandensein von Alkalimetallen die Produktionseffizienz und Selektivität beeinflussen.
Die Rolle von Materialien auf Kohlenstoffbasis in der H2O2-Elektrosynthese
Effiziente Elektrokatalysatoren für die H2O2-Produktion auf der Grundlage von Metalllegierungen wie Au- und Ag-Hg-Legierungen sind zwar bekannt, doch ihre hohen Kosten und ihre potenzielle Toxizität erschweren den Einsatz in großem Maßstab. Im Gegensatz dazu bieten kohlenstoffbasierte Materialien eine kostengünstige, metallfreie Alternative. Ihre defektreichen Strukturen und funktionellen Sauerstoffgruppen (OFGs) spielen eine entscheidende Rolle für das elektrochemische Verhalten bei der H2O2-Elektrosynthese. Unter Verwendung von PG-edge, PG-basal und GC als Modellelektroden wurde in der Studie untersucht, wie diese Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlichen Graden der Defektdichte und OFGs die Effizienz und Selektivität der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) unter sauren Bedingungen beeinflussen.
Verstehen der elektrochemischen Mechanismen
Die Studie zeigt zwei unterschiedliche Wege für die H2O2-Produktion an Kohlenstoffelektroden auf. Die PG-Basalelektroden folgen überwiegend einem Inner-Sphere-Mechanismus, während die GC-Elektrode einen Outer-Sphere-Mechanismus bevorzugt. Trotz dieser Unterschiede wiesen beide Elektroden eine hohe Faradaic-Effizienz (FE) für die H2O2-Erzeugung auf, was die Vielseitigkeit kohlenstoffbasierter Materialien unterstreicht, die durch unterschiedliche Reaktionsmechanismen eine ähnliche Effizienz erzielen. Darüber hinaus untersucht die Studie das Potenzial der maximalen Entropie (PME) auf diesen Materialien, ein Schlüsselfaktor, der die elektrochemische Schnittstelle bestimmt und die Selektivität und Aktivität bei der H2O2-Produktion beeinflusst.
Einfluss von Alkali-Kationen auf die Selektivität
Die Studie untersuchte auch die Rolle von Alkali-Kationen - Li+, Na+, K+ und Cs+ - bei der Gestaltung des Reaktionsweges und der Selektivität der ORR. Es wurde festgestellt, dass große Kationen wie Cs+ die Selektivität von PG-Basalelektroden für die H2O2-Produktion erhöhen, während GC-Elektroden eher zur Wasserbildung neigen. Dieses Phänomen wird auf die Art und Weise zurückgeführt, wie Alkali-Kationen mit der Kohlenstoff-Elektrodenoberfläche interagieren und die elektrochemische Umgebung beeinflussen, insbesondere die Bindung von Reaktionszwischenprodukten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Anpassung der Elektrolytzusammensetzung, insbesondere des Alkaliionengehalts, ein leistungsfähiges Instrument zur Abstimmung der Selektivität von Elektrokatalysatoren auf Kohlenstoffbasis sein kann.
Implikationen für zukünftige Katalysatoren und nachhaltige Chemie
Die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung von Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis für die elektrochemische H2O2-Produktion. Das Verständnis der Beziehung zwischen Oberflächendefekten, funktionellen Sauerstoffgruppen und Alkali-Kationen öffnet die Tür zum rationalen Design effizienterer, metallfreier Elektrokatalysatoren. Diese Forschung ebnet den Weg für die breite Anwendung von kohlenstoffbasierten Materialien in nachhaltigen chemischen Prozessen und fördert umweltfreundlichere, kostengünstigere Lösungen für die H2O2-Produktion. Die fortgesetzte Erforschung dieser elektrochemischen Mechanismen wird für den Fortschritt auf dem Gebiet der nachhaltigen Chemie und Katalyse entscheidend sein.
Die open access Arbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift ACS Catalysis veröffentlicht.
Original Paper: André Olean-Oliveira, Najeeb Hasnain, Ricardo Martínez-Hincapié, Ulrich Hagemann, Adarsh Jain, Doris Segets, Ioannis Spanos, and Viktor Čolić. Electrochemical Insights into Hydrogen Peroxide Generation on Carbon Electrodes: Influence of Defects, Oxygen Functional Groups, and Alkali Metals in the Electrolyte ACS Catalysis 2024 14 (23), 17675-17689 DOI: 10.1021/acscatal.4c04734 Link