Nella produzione industriale di cloro, elettrodi speciali sono stati recentemente introdotti, che consumano molta meno corrente rispetto ai sistemi convenzionali. Il metodo richiede l'introduzione di ossigeno in un ambiente caldo, soluzione di idrossido di sodio altamente concentrata in cui è scarsamente solubile. Non è ancora chiaro come le densità di corrente industriale possano essere raggiunte in queste condizioni. In collaborazione con gli ingegneri dell'Università tecnica di Clausthal, i ricercatori del Centro per le scienze elettrochimiche (CES) della Ruhr-Universität Bochum hanno acquisito nuove conoscenze sui processi che coinvolgono questi tipi di elettrodi, detti anche catodi depolarizzati ad ossigeno. Il team che include Alexander Botz, Denis Öhl e il Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann riportano i loro risultati sulla rivista Angewandte Chemie , pubblicato online il 3 agosto 2018.

Il cloro è una materia prima importante per l'industria chimica. Viene prodotto mediante elettrolisi di sale da cucina e acqua, con idrossido di sodio e idrogeno prodotti come sottoprodotti nel processo convenzionale. Mentre i catodi che consumano ossigeno richiedono ossigeno come materiale di partenza, l'idrogeno sottoprodotto viene eliminato, con un risparmio di circa il 30% in elettricità. La reazione avviene a 80 gradi Celsius in idrossido di sodio altamente concentrato. L'ossigeno è molto poco solubile in queste condizioni. "Questi tipi di elettrodi sono stati usati industrialmente per anni, ma non capiamo perché funzionano davvero, " spiega Wolfgang Schuhmann, Capo del Dipartimento di Chimica Analitica e del CES.

Con i loro esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che le condizioni di reazione cambiano costantemente durante la produzione di cloro. Tre fasi si incontrano vicino al catodo che consuma ossigeno, che consiste di particelle di argento solido immerse in idrossido di sodio liquido altamente concentrato, mentre l'ossigeno gassoso viene forzato nel sistema dal retro. Finora, i ricercatori hanno principalmente studiato la concentrazione dell'ossigeno che reagisce nell'ambiente in fase solida, sviluppando modelli che attribuiscano a questo parametro l'elevata densità di corrente.

Per lo studio in corso, gli scienziati di Bochum hanno sviluppato un metodo per analizzare i processi in fase liquida. Hanno posizionato un microelettrodo sottile, appena il centesimo dello spessore di un capello umano, direttamente sulla superficie del catodo funzionante che consuma ossigeno. Con questo, hanno monitorato i cambiamenti delle concentrazioni di acqua e ioni idrossido (OH-), che sorgono nella reazione. Il risultato:la concentrazione di acqua e ioni idrossido sulla superficie dell'elettrodo mostra un'intensa fluttuazione nel corso della reazione e non è uniforme in tutto.

"Abbiamo sospettato per anni che ci dovessero essere significative fluttuazioni di concentrazione locale all'interno dell'elettrodo che potrebbero contribuire alle elevate densità di corrente, " spiega Schuhmann.

"Questi drastici cambiamenti non sono ancora stati considerati nei modelli che riflettono la reazione, " afferma Alexander Botz. "I risultati sono estremamente importanti per la futura ottimizzazione di tali elettrodi".

Il team di Bochum spera di ottenere ancora più informazioni sui dettagli del meccanismo di reazione. "Queste indagini sono essenziali per lo sviluppo di elettrodi a diffusione di gas, che sarà di grande importanza in futuro per il legame della CO ₂ dall'aria e quindi contribuire alla riduzione delle emissioni di gas serra, " spiega Schuhmann.