Dans la production industrielle de chlore, des électrodes spéciales ont été récemment introduites, qui consomment beaucoup moins de courant que les systèmes conventionnels. Le procédé nécessite l'introduction d'oxygène dans un solution d'hydroxyde de sodium très concentrée dans laquelle il est peu soluble. On ne sait toujours pas comment les densités de courant industriel peuvent être atteintes dans ces conditions. En collaboration avec des ingénieurs de l'Université Technique de Clausthal, des chercheurs du Center for Electrochemical Sciences (CES) de la Ruhr-Universität Bochum ont acquis de nouvelles connaissances sur les processus impliquant ces types d'électrodes, également appelées cathodes dépolarisées à l'oxygène. L'équipe comprenant Alexander Botz, Denis Öhl et Prof Dr. Wolfgang Schuhmann rendent compte de leurs résultats dans la revue Angewandte Chemie , publié en ligne le 3 août 2018.

Le chlore est une matière première importante pour l'industrie chimique. Il est produit par électrolyse du sel de table et de l'eau, l'hydroxyde de sodium et l'hydrogène étant produits comme sous-produits dans le procédé conventionnel. Alors que les cathodes consommant de l'oxygène nécessitent de l'oxygène comme matériau de départ, l'hydrogène sous-produit est éliminé, avec une économie d'électricité d'environ 30 pour cent. La réaction se produit à 80 degrés Celsius dans de l'hydroxyde de sodium hautement concentré. L'oxygène est très peu soluble dans ces conditions. "Ces types d'électrodes sont utilisés industriellement depuis des années, mais nous ne comprenons pas pourquoi ils fonctionnent réellement, " explique Wolfgang Schuhmann, Chef du Département de Chimie Analytique et CES.

Avec leurs expériences, les chercheurs ont montré que les conditions de réaction changent constamment pendant la production de chlore. Trois phases se rencontrent près de la cathode consommatrice d'oxygène, qui est constitué de particules d'argent solide baignées dans de l'hydroxyde de sodium liquide hautement concentré, tandis que l'oxygène gazeux est forcé dans le système par l'arrière. Jusqu'ici, les chercheurs ont principalement étudié la concentration de l'oxygène réactif dans l'environnement en phase solide, développer des modèles qui attribuent la densité de courant élevée à ce paramètre.

Pour l'étude en cours, les scientifiques de Bochum ont développé une méthode pour analyser les processus en phase liquide. Ils ont positionné une fine microélectrode – à peine un centième de l'épaisseur d'un cheveu humain – directement sur la surface de la cathode de travail consommant de l'oxygène. Avec ça, ils ont suivi l'évolution des concentrations en eau et en ions hydroxyde (OH-), qui surviennent dans la réaction. Le résultat :la concentration d'eau et d'ions hydroxyde sur la surface de l'électrode montre une fluctuation intense au cours de la réaction et n'est pas uniforme tout au long.

"Nous soupçonnons depuis des années qu'il doit y avoir des fluctuations de concentration locales importantes à l'intérieur de l'électrode qui pourraient contribuer aux densités de courant élevées, " explique Schuhmann.

"Ces changements drastiques n'ont pas encore été pris en compte dans les modèles reflétant la réaction, " déclare Alexander Botz. " Les résultats sont extrêmement importants pour l'optimisation future de telles électrodes. "

L'équipe de Bochum espère mieux comprendre les détails du mécanisme de réaction. "Ces investigations sont essentielles pour le développement d'électrodes à diffusion gazeuse, qui sera d'une grande importance à l'avenir pour la liaison du CO 2 de l'air et contribuer ainsi à une réduction des émissions de gaz à effet de serre, " explique Schuhmann.