Wenn man Wasser elektrolytisch spaltet, entsteht typischerweise Wasserstoff – und nutzloser Sauerstoff. Statt Sauerstoff kann man auch ein nützliches Produkt erzeugen. Wenn man weiß wie.

Aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit gilt Wasser als sinnvollster Ausgangsstoff für die Wasserstoffgewinnung. Idealerweise entsteht bei der Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff eine zweite nützliche Substanz: Wasserstoffperoxid, das für viele Industriezweige benötigt wird, etwa für die Produktion von Desinfektionsmitteln. Um Wasserstoffperoxid aus der Spaltung von Wasser zu gewinnen, braucht es besondere Reaktionsbedingungen. Bekannt war, dass die Anwesenheit von Carbonat nützlich ist. Aber warum das so ist, war unklar. Ein Team der Ruhr-Universität Bochum hat den Mechanismus dahinter aufgeklärt.

Die Gruppe um Dr. Lejing Li, Dr. Carla Santana Santos und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie beschreibt die Ergebnisse in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ vom 24. Juni 2024.

Zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen 

„Wasserstoffperoxid ist ein Wertstoff, der mit komplexen Verfahren hergestellt werden muss, die auch für die Umwelt nicht immer unbedenklich sind“, sagt Wolfgang Schuhmann. Da wäre es nützlich, wenn man die Substanz in großen Mengen aus der elektrolytischen Spaltung von Wasser gewinnen könnte, bei der zugleich der Energieträger Wasserstoff entsteht. „Das ist allerdings thermodynamisch kompliziert“, erklärt Lejing Li. Denn die Entstehung von Sauerstoff ist sozusagen energetisch einfacher.

Fügt man jedoch einen Carbonat-Puffer zur Lösung hinzu, ändert sich die Lage. Dabei handelt es sich um Kohlensäure (H2CO3), welche ein Proton (H+) abgeben kann, sodass Hydrogencarbonat (HCO3-) entsteht, welches zu Kohlendioxid (CO2) weiterreagieren kann. Solche Puffer helfen, den pH-Wert von Lösungen stabil zu halten. Allerdings sind die Bedingungen in der Reaktionslösung nicht überall identisch.

Die Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff findet an den Oberflächen zweier Elektroden statt, zwischen denen eine Spannung anliegt. Bei der Übertragung von negativ geladenen Elektronen werden zugleich positiv geladene Protonen frei. Die Protonen verändern den pH-Wert in der unmittelbaren Umgebung der Elektrode, während weiter entfernt in der Lösung der pH-Wert stabil bleibt.

Lokale pH-Wert-Messungen 

Mithilfe einer selbst entwickelten Methode bestimmte das Bochumer Team den pH-Wert in der unmittelbaren Umgebung der Elektrode unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen und zeigte, dass Wasserstoffperoxid bevorzugt dann entsteht, wenn viel Hydrogencarbonat in der Nähe der Elektrode vorhanden ist. Unter diesen Bedingungen bildet sich ein Reaktionszwischenprodukt, das die Entstehung von unerwünschtem Sauerstoff verhindert.

„Diese Ergebnisse klingen zunächst nach abstrakter Grundlagenforschung“, gibt Lejing Li zu. „Aber die Produktion von Wasserstoff und Wasserstoffperoxid ist extrem wichtig. Nur wenn wir die Prozesse genau verstehen, können wir sie besser machen.“

Förderung 

Die Arbeiten wurden finanziell unterstützt vom Bundesministerium für Forschung und Technologie im Rahmen des Projekts „DERIEL“ (Förderkennzeichen 03HY122H), vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen des Horizon-2020-Programms der Europäischen Union (CasCat, 833408) und vom Europäischen Innovationsrat im Rahmen des Grant Agreements 101046742 (MeBattery). Weitere Förderung kam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschungsgruppe 2982 (Fördernummer 413163866).

Originalveröffentlichung

Lejing Li, Rajini P. Antony, Carla Santana Santos, Ndrina Limani, Stefan Dieckhöfer, Wolfgang Schuhmann: Anodic H2O2 Generation in Carbonate-based Electrolytes – Mechanistic Insight from Scanning Electrochemical Microscopy, in: Angewandte Chemie International Edition, 2024, DOI: 10.1002/anie.202406543