Die Wissenschaftler des Indian Institute of Science (IISc) haben eine Zink-Luft-Batterie eingesetzt, in der durch Sauerstoffreduktion H2O2 erzeugt wird. „Zink ist ein reichlich vorhandenes und historisch verwendetes Element. Es ist in Indien sehr billig und reichlich vorhanden“, sagt Aninda J Bhattacharyya, Professor am Interdisciplinary Centre for Energy Research (ICER) und an der Solid State and Structural Chemistry Unit (SSCU) und korrespondierender Autor der in Small Methods veröffentlichten Studie.
Eine Metall-Luft-Batterie hat ein Metall wie Zink als Anode (negative Elektrode) und Umgebungsluft als Kathode (positive Elektrode). Wenn sich die Batterie entlädt - also Energie freisetzt - wird der Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der Kathode reduziert, wobei H2O2 entsteht.
Prozess und Vorteile der Batterie
Die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff läuft auf zwei Wegen ab, von denen einer zur Bildung von H2O2 führt. „Die Strategie besteht darin, das Ausmaß der Sauerstoffreduktionsreaktion zu kontrollieren. Wenn man sie nicht in gewissem Maße kontrolliert, wird sie einfach zu Wasser“, erklärt Bhattacharyya.
Diese Kontrolle lässt sich mit speziellen Katalysatoren erreichen. „Wir verwenden einen metallfreien Katalysator auf Kohlenstoffbasis“, sagt Asutosh Behera, Erstautor und Doktorand an der SSCU. Diese preiswerten Katalysatoren treiben die Reaktion normalerweise auf dem Weg der Wasserbildung voran, wobei die Selektivität gegenüber H2O2 geringer ist. Werden jedoch bestimmte chemische Modifikationen an diesen Katalysatoren vorgenommen, wie zum Beispiel das Hinzufügen von funktionellen Sauerstoffgruppen, so wird die Selektivität der Reaktion auf die Bildung von H2O2 ausgerichtet.
Bhattacharyya erklärt, dass die Verwendung einer Batterie zur direkten Herstellung von H2O2 ein neuartiger Ansatz ist: „Man muss keine anderen Dinge tun. Man hat eine Batterie und lässt sie laufen. Wir haben die Spannung so gedrosselt, dass sie nur noch H2O2 produziert“.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Batterien ist, dass sie zusätzlich zu den chemischen Reaktionen auch elektrische Energie erzeugen oder speichern. „Wir produzieren also nicht nur H2O2, sondern speichern auch Energie, da die Reaktion innerhalb der Zelle stattfindet“, fügt Bhattacharyya hinzu.
Nötiger, giftiger Farbstoff wird abgebaut
Das erzeugte H2O2 muss nachgewiesen werden, da es farblos ist. Dies kann durch die Zugabe eines Farbstoffs geschehen, eines giftigen Schadstoffs aus der Textilindustrie.Wenn H2O2 entsteht, reagiert es mit dem Farbstoff, baut ihn ab und verändert seine Farbe. „Das erzeugte H2O2 zerfällt weiter in verschiedene Radikale (wie Hydroxid und Superoxid) - hochreaktive organische Spezies -, die schließlich den Textilfarbstoff abbauen“, erklärt Behera. Dieser Abbau trägt dazu bei, die Effizienz der H2O2-Produktion zu erhöhen und den giftigen Farbstoff zu beseitigen.
„Es gibt einige grundlegende Herausforderungen, die überwunden werden müssen“, stellt Bhattacharyya fest. Eine Metall-Luft-Batterie besteht zum Beispiel aus drei Phasen – fest (Zink), flüssig (Elektrolyt) und gasförmig (Luft). Das macht ihre Handhabung schwieriger als bei den meisten Batterien mit nur zwei Phasen.
Trotz dieser Herausforderungen sind die Forscher davon überzeugt, dass die Strategie skalierbar ist und auch andere Anwendungen, wie die Stromerzeugung an abgelegenen Orten, möglich sind. „Diese Methode ist sehr nachhaltig, kostengünstig und sehr energieeffizient“, sagt Bhattacharyya.
