Die bahnbrechende Entdeckung unlöslicher Anoden

In den 1970er Jahren war die Entwicklung der DSA®-Elektrodentechnologie einer der bedeutendsten Fortschritte in der industriellen Chemie. Diese metallischen, unlöslichen Anoden verbesserten die Energieeffizienz von Chlor-Alkali-Prozessen erheblich. Konkret bestehen DSA-Elektroden aus einer Titanbasis, die mit einer dünnen Schicht aus gemischten Metalloxiden (MMOs) beschichtet ist, die als Elektrokatalysatoren für eine Vielzahl elektrochemischer Prozesse dienen, darunter die Produktion von Chlor an der Anode und die Bildung von Natriumhydroxid und Wasserstoff an der Kathode einer elektrochemischen Zelle.

Vor dem Durchbruch der DSA-Elektroden wurden für die Anoden Kohlenstoffmaterialien wie Graphit und amorpher Kohlenstoff verwendet, die jedoch mehrere Nachteile aufwiesen. Tatsächlich liegt die theoretische Spannung für die Reaktionen im Chlor-Alkali-Prozess auf der Grundlage der Thermodynamik (d. h. der reversiblen Potenziale von Anode und Kathode) bei etwas über 2,1 V. Vor der Einführung von DSA betrug die tatsächliche Spannung jedoch aufgrund langsamer Reaktionskinetik, Einschränkungen beim Stofftransport und ohmscher Verluste fast 5 V, was zu einem hohen Stromverbrauch und erhöhten Produktionskosten führte. Zudem waren Kohlenstoffanoden sehr korrosionsanfällig (wie in Gleichung 1 dargestellt), was im Laufe der Zeit zu einem zusätzlichen Anstieg der Spannung im Reaktor und zu häufigen Unterbrechungen des Produktionsprozesses aufgrund des notwendigen Austauschs der Anoden führte.

C + 2H₂O → CO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ (1)

Zu den Bemühungen, diese Probleme zu lösen, gehörten zwei Patente von Henri Bernard Beer, einem niederländischen Industrieforscher, der MMOs zum Zweck der Chlorproduktion im Chlor-Alkali-Bereich untersuchte. Später erwarb Industrie De Nora die Patente für die großtechnische Kommerzialisierung der DSA®-Anoden. Eine Umwälzung im Bereich der DSA-Anoden brachte die Einführung eines neuen Geschäftsmodells durch De Nora mit sich, das auf dem Leasing der Anoden anstelle eines direkten Verkaufs basierte. Dieses neue Geschäftsmodell garantierte die Leistung einer bestimmten Chlorproduktion über lange Zeiträume ohne Betriebsunterbrechungen und erfüllte damit die Anforderungen der anspruchsvollen Chloralkali-Industrie.

DSA-Anoden besitzen im Gegensatz zu ihren Kohlenstoff-Pendants mechanische Stabilität. In Bereichen, in denen herkömmliche Elektrokatalysatoren einer Zersetzung unterliegen würden, bildet die Titanbasis eine schützende Oxidschicht und zeigt eine für Titan spezifische „Selbstheilungsfähigkeit“. Bemerkenswert ist, dass der Ersatz von Kohlenstoffanoden durch unlösliche DSA-Anoden die Betriebsspannung an den katalysierten Stellen um mehr als 1 V reduzierte. Darüber hinaus sorgte dies für eine stabile Elektrodenleistung über viele Jahre der Betriebsdauer und stellte eine bedeutende Verbesserung in der Branche im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung von Anoden auf Kohlenstoffbasis dar.

DSA® ist eine eingetragene Marke von De Nora. Unter der Marke DSA® bieten wir eine breite Produktpalette an, bestehend aus metallischen Anoden und Kathoden, die mit katalytischen Mischoxidlösungen für eine Vielzahl elektrochemischer Reaktionen beschichtet sind. DSA-Elektroden haben eine lange Lebensdauer, gewährleisten eine hervorragende elektrolytische Leistung und Zelleneffizienz und ermöglichen erhebliche Energieeinsparungen sowie optimale Betriebsbedingungen. Ihr leichtes und stabiles Design ermöglicht eine einfache Handhabung und den Einsatz in Präzisionsanlagen, einschließlich solcher mit Null-Elektrodenabstand, und beseitigt gleichzeitig Verschmutzungsprobleme, die durch lösliche oder instabile Anoden entstehen.

DSA-Elektroden finden aufgrund ihrer Langlebigkeit, hohen Effizienz und Korrosionsbeständigkeit breite Anwendung in elektrochemischen Prozessen. Zu den Anwendungsbereichen gehören unter anderem:

• Elektronikfertigung (Kupferfolienabscheidung, Leiterplatten, Lithium-Ionen-Batterien)

• Elektrolytische Gewinnung (Kupfer, Nickel, Kobalt)

• Oberflächenveredelung, Galvanisierung, Elektroverzinkung

• Chlor-Alkali-Prozesse

• Kathodischer Korrosionsschutz/Korrosionsprävention (herkömmliche Anlagen, Beton- und Meerwasseranlagen)

• Ein weiterer Anwendungsbereich von DSA-Anoden liegt im Bereich der Wasseraufbereitung. Tatsächlich werden DSA eingesetzt, um organische und anorganische Schadstoffe zu oxidieren und sie in weniger schädliche Substanzen umzuwandeln. Sie sind besonders wirksam in fortgeschrittenen Oxidationsprozessen (AOPs) zum Abbau persistenter organischer Schadstoffe, die mit herkömmlichen Behandlungsmethoden nur schwer zu entfernen sind. Schließlich finden DSA-Elektroden Anwendung im aufstrebenden Bereich der grünen Wasserstoffproduktion, einem elektrochemischen Prozess, bei dem Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Einführung von DSA-Elektroden mit einer wachsenden Nachfrage nach effizienteren und umweltfreundlicheren industriellen Prozessen einherging. Da die Industrie bestrebt war, Abfall und Energieverbrauch zu minimieren, bot DSA eine Lösung, die diesen Zielen entsprach, und festigte damit ihren Platz als Eckpfeiler der modernen elektrochemischen Technologie. Heute breitet sich der Einsatz von DSA in einer Vielzahl traditioneller elektrochemischer Anwendungen sowie in anderen Bereichen wie der Wasseraufbereitung und -reinigung sowie der Erzeugung von grünem Wasserstoff weiter aus, angetrieben durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung, die darauf abzielt, ihre Leistung und Nachhaltigkeit zu verbessern.