Neue Technik zur Herstellung von günstigerem und effizienterem Chlor

Chlor (Cl₂) ist heute mit 75 Millionen Tonnen jährlich eine der am meisten verwendeten Industriechemikalien der Welt. Ein Forscherteam, das dem UNIST angegliedert ist, hat kürzlich einen Weg gefunden, die Herstellung von Chlor effizienter und erschwinglicher zu machen. Es wird erwartet, dass dies eine große Hilfe für die Chlorindustrie sein wird.

Ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Professor Sang Hoon Joo und Professor Sang Kyu Kwak von der School of Energy and Chemical Engineering an der UNIST hat einen neuartigen Katalysator (Pt1/CNT) für die elektrochemische Chlorerzeugung vorgestellt.

Die bestehenden elektrochemischen Katalysatoren zur Chlorherstellung enthalten eine große Menge an Edelmetallen wie Ruthenium (Ru) und Iridium (Ir), sind also teuer und in der Produktion nicht sehr effizient. Außerdem werden bei niedriger Chlorkonzentration und einer pH-neutralen Umgebung nicht nur Chlor, sondern auch Sauerstoff erzeugt, was die Effizienz der Chlorproduktion insgesamt verringert. Das Forschungsteam entwickelte ein Nichtmetalloxid, das auf der Schlussfolgerung beruht, dass die Ursache für solche Nachteile in den intrinsischen Eigenschaften von „Katalysatoren auf Metalloxidbasis“ liegt.

Der neu entwickelte Katalysator (Pt₁/CNT) ist ein einatomiger Dispersionskatalysator, bei dem Platin-(Pt)-Atome, die von vier Stickstoff-(N)-Atomen umgeben sind, auf Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) verteilt sind. Da der Katalysator auf der Oberfläche der Metallatome (Pt) vollständig freiliegt, kann er selbst bei der geringen Menge eine hohe Effizienz und eine bessere Leistung als die bestehenden kommerziellen DSA-Katalysatoren unter verschiedenen Elektrolytbedingungen aufweisen. Außerdem enthielt er hohe Chlorionen, wie z.B. Meerwasser, oder umgekehrt. Es wird gezeigt, dass er in Zukunft in elektrochemischen Wasseraufbereitungsanlagen in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden kann.

„Es wurde bestätigt, dass nur Chlorionen selektiv an den aktiven Stellen von Pt1/CNT adsorbiert wurden, während andere zusätzliche Reaktionen unterdrückt wurden“, sagt Taejung Lim in der Abteilung für Chemieingenieurwesen am UNIST, der Erstautor der Studie. „Dies wird als neuer Katalysator dienen, der den grundlegenden Nachteil der bestehenden Metalloxid-Katalysatoren überwindet.

In der Studie wandten Professor Kwak und Dr. Gwan Yeong Jung ihre experimentellen Daten auf die theoretischen Berechnungen an, um die Struktur der aktiven Zentren und das Prinzip der elektrochemischen Reaktionen zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die verbesserte strukturelle Integrität zwischen den aktiven Stellen und den Kohlenstoff-Nanoröhren zu einer gleichmäßigeren Elektronenübertragung und einer deutlichen Verbesserung der katalytischen Leistung führt.

„Durch Molekularmodellierung und Dichtefunktionsberechnungen haben wir die zentrale Struktur der aktiven Stellen in Pt1/CNT identifiziert“, sagt Professor Kwak. „Dieses Berechnungsprinzip soll in Zukunft zur Interpretation der Reaktivität und der Reaktionsprinzipien verschiedener monoatomarer Katalysatoren beitragen“.

„Der diesmal entwickelte monoatomare Katalysator ist ein neues Katalysatorkonzept, das das Paradigma des vor 50 Jahren kommerzialisierten Edelmetalloxid-Katalysators verändert“, sagt Professor Joo. „Insbesondere wird der neue Katalysator nicht durch die Zusammensetzung des Elektrolyten beeinflusst, so dass erwartet wird, dass er in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann, wie z.B. in der Wasseraufbereitung im mittleren und kleinen Maßstab sowie in der Ballastwasseraufbereitung.