Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein wichtiges technisches Reagenz, das beispielsweise zum umweltfreundlichen Bleichen von Papier oder zur Abwasserbehandlung eingesetzt wird. Die bisherigen großtechnischen Herstellungsmethoden sind allerdings sehr engergieaufwändig und kostenintensiv. Eine neue Methode, die von japanischen Forschern entwickelt wurde, könnte als Basis für ein wesentlich ökonomischeres Verfahren dienen.

So setzt das Team um Ichiro Yamanaka vom Tokyo Institute of Technology schon seit einiger Zeit auf die katalytische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid. Nicht ohne Grund nennt sich ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff Knallgas, denn schließlich ist es hochexplosiv. Daher wählten Yamanaka und seine Mitarbeiter eine Methode, die eine kontrollierte Umsetzung gewährleistet, ohne dass die beiden temperamentvollen Reaktanden miteinander in Berührung kommen – die elektrokatalytische Umsetzung in einer Brennstoffzelle. Besonderer Vorteil des Konzeptes: Gleichzeitig lässt sich die bei der Umsetzung frei werdende Energie als elektrischer Strom abgreifen. Dieses Brennstoffzellenkonzept entwickelten die Forscher nun weiter.

So steckt das Erfolgsgeheimnis der neuen Brennstoffzelle in einer dreiphasigen Grenzfläche im Inneren der Kathode, der negativen Elektrode: Statt wie bisher Sauerstoff in eine Elektrolytlösung strömen zu lassen, wird der gasförmige Sauerstoff nun direkt auf eine feste, aber poröse Kathode geleitet, auf deren anderer Seite sich verdünnte Natronlauge als Elektrolytlösung befindet, die ebenfalls in die Poren eindringt. So lässt sich eine höhere Sauerstoffkonzentration an der inneren Elektrodenoberfläche und damit ein höherer Umsatz erzielen. Analog wird auf der Anodenseite gasförmiger Wasserstoff auf eine ebenfalls poröse Anode geleitet.

Eine andere entscheidende Verbesserung besteht in einer Trennung der Elektrolytlösung in einen Kathoden- und einen Anodenraum durch eine halbdurchlässige Membran. Damit wird ein weiteres Problem gelöst, unter dem die Vorgängervariante litt: Das an der Kathode gebildete Wasserstoffperoxid kann nun nicht mehr an die Anode gelangen und dort zu Wasser abreagieren. Zu guter Letzt konnten die Chemiker um Yamanaka auch die Wirksamkeit der katalytischen Graphit-Elektroden durch Zusatz verschiedener Additive weiter erhöhen.

Auch mit Luft statt mit reinem – teurem – Sauerstoff bringt die Brennstoffzelle eine ausreichend hohe Leistung. Diese Tatsache macht das neue Konzept zu einer wirtschaftlich interessanten Alternative für die großtechnische Produktion von Wasserstoffperoxid.