En la producción industrial de cloro, se han introducido recientemente electrodos especiales, que consumen mucha menos corriente que los sistemas convencionales. El método requiere que se introduzca oxígeno en un solución de hidróxido de sodio altamente concentrada en la que es poco soluble. Todavía no está claro cómo se pueden lograr las densidades de corriente industrial en estas condiciones. En colaboración con ingenieros de la Universidad Técnica de Clausthal, Investigadores del Centro de Ciencias Electroquímicas (CES) de la Ruhr-Universität Bochum han obtenido nuevos conocimientos sobre los procesos que involucran este tipo de electrodos, también denominados cátodos despolarizados con oxígeno. El equipo que incluye a Alexander Botz, Denis Öhl y el profesor Dr. Wolfgang Schuhmann informan sobre sus resultados en la revista Angewandte Chemie , publicado en línea el 3 de agosto de 2018.

El cloro es una materia prima importante para la industria química. Se produce mediante electrólisis de sal de mesa y agua, produciéndose hidróxido de sodio e hidrógeno como subproductos en el proceso convencional. Mientras que los cátodos que consumen oxígeno requieren oxígeno como material de partida, se elimina el subproducto de hidrógeno, con un ahorro de electricidad de aproximadamente un 30%. La reacción ocurre a 80 grados Celsius en hidróxido de sodio altamente concentrado. El oxígeno es muy poco soluble en estas condiciones. "Estos tipos de electrodos se han utilizado industrialmente durante años, pero no entendemos por qué funcionan realmente, "explica Wolfgang Schuhmann, Jefe del Departamento de Química Analítica y CES.

Con sus experimentos, los investigadores demostraron que las condiciones de reacción cambian constantemente durante la producción de cloro. Tres fases se encuentran cerca del cátodo consumidor de oxígeno, que consiste en partículas sólidas de plata bañadas en hidróxido de sodio líquido altamente concentrado, mientras que el oxígeno gaseoso se introduce en el sistema desde la parte posterior. Hasta ahora, Los investigadores han estudiado principalmente la concentración del oxígeno que reacciona en el entorno de fase sólida, desarrollando modelos que atribuyan la alta densidad de corriente a este parámetro.

Para el estudio actual, los científicos de Bochum desarrollaron un método para analizar los procesos en la fase líquida. Colocaron un microelectrodo delgado, apenas una centésima parte del grosor de un cabello humano, directamente sobre la superficie del cátodo que consume oxígeno en funcionamiento. Con este, rastrearon los cambios del agua y las concentraciones de iones hidróxido (OH-), que surgen en la reacción. El resultado:la concentración de iones de agua e hidróxido en la superficie del electrodo muestra una fluctuación intensa a lo largo de la reacción y no es uniforme en toda su extensión.

"Hemos sospechado durante años que debe haber fluctuaciones de concentración local significativas dentro del electrodo que podrían contribuir a las altas densidades de corriente, "explica Schuhmann.

"Estos cambios drásticos aún no se han considerado en los modelos que reflejan la reacción, ", dice Alexander Botz." Los resultados son tremendamente importantes para la optimización futura de dichos electrodos ".

El equipo de Bochum espera obtener aún más información sobre los detalles del mecanismo de reacción. "Estas investigaciones son fundamentales para el desarrollo de electrodos de difusión de gas, que será de gran importancia en el futuro para la unión de CO ₂ del aire y contribuir así a una reducción de la emisión de gases de efecto invernadero, "explica Schuhmann.