In plaats van de traditionele, lastige productie van waterstofperoxide kun je ook gewoon waterstof en zuurstof laten reageren via twee elektrochemische halfcelreacties, claimen onderzoekers in Science.

Traditioneel maakt de industrie H₂O₂ met het antrachinonproces. Het is een indirecte, energiebehoeftige en afvalstoffenproducerende productie en dat moet beter kunnen, aldus Chuan Xia, Yang Xia, Haotian Wang en collega’s van de Department of Chemical and Biomolecular Engineering van de Rice University. Elektrosynthese lijkt een makkelijker, schoner en veiliger alternatief, pleiten ze in hun publicatie.

In de elektrochemische cel kun je de aangeleverde zuurstof en waterstof gescheiden houden – wat ontploffingsgevaar uit de weg neemt – en apart laten reageren in een redoxreactie. Dat ging al wel met specifieke katalysatoren, maar je hebt dan toch extra zuiveringsstappen nodig. De Rice-onderzoekers hebben daarom een vast poreus elektrolyt ontworpen dat directe elektrosynthese van zuivere H₂O₂-oplossingen verwezenlijkt, in concentraties van 0,3 tot 20 % op basis van gewicht.

In het gepubliceerde systeem (zie afbeelding) laat je de H₂ en O₂ door een gasdiffusielaag stromen met daarachter een katalysator die de halfreactie laat verlopen. Voor H₂ is dat de waterstofoxidatiereactie (HOR), die waterstofgas omzet in protonen, en voor O₂ is dat de 2 e^–-zuurstofreductiereactie (2e^–-ORR), die zuurstof omzet in HO₂^–. Daar weer achter bevindt zich een anion of cation exchange-membraan, met in het midden van het systeem het vast poreus elektrolyt, die de combinatie van H⁺ en HO₂^– vergemakkelijkt. Tegelijkertijd stroomt er door het midden gedemineraliseerd water doorheen. Afhankelijk van hoe snel je dat laat stromen en hoeveel HO₂^– je produceert, kun je zuivere geconcentreerde of juist sterk verdunde H₂O₂-oplossingen maken.

Voor een goede en efficiënte conversie heb je de juiste katalysatoren nodig. Voor de HOR was dat geen moeilijke keuze: platina op koolstof is nog steeds de beste keus voor deze reactie. Nu zijn de katalysatoropties voor de 4e^–-ORR goed gedocumenteerd, maar de hier gekozen 2e^–-variant is minder bestudeerd. Daarom ontwikkelden Wang en collega’s een eigen katalysator.

Daarvoor startten ze met carbon black. Dat behandelden ze met salpeterzuur, waardoor het nanomateriaal functionaliteiten als ethers, alcoholen en carbonzuren kreeg. Na optimalisatie besloten de onderzoekers om het zuurstofgehalte op het oppervlak op 10 % te houden, wat zorgde voor een maximale H₂O₂-omzetting van rond de 98 % en stroompjes van ongeveer 300 mA/cm². De onderzoekers verwachten dat het systeem ook voor andere vloeistoffen te gebruiken is.