Sauerstoffreduktion

Sauerstoffreduktion bezeichnet die chemische Reaktion, bei der Sauerstoffmoleküle O2 Elektronen aufnehmen. Sie ist ein zentraler Prozess in elektrochemischen Systemen wie Brennstoffzellen und Batterien und kommt auch in biologischen Systemen vor, in denen Sauerstoff als finales Elektronenakzeptor dient.

Typische Reaktionspfade umfassen die vier-Elektronen-Reduktion zu Wasser in saurer Lösung: O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O, sowie die basische Variante: O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-. Zwischenstufen wie die Bildung von Wasserstoffperoxid (O2 + 2 e- + 2 H+ -> H2O2) können auftreten. In realen Elektrodenläufen dominieren Pfade mit Anteilen von Zwei- und Vier-Elektronen-Reduktion, wodurch je nach Katalysator Wasser oder Wasserstoffperoxid als Endprodukte entstehen können.

Anwendungen finden sich in Energiespeichern (Brennstoffzellen, Metall-Luft-Batterien), der Elektrochemie-Sensorik, der Korrosion und in der Photokatalyse.

Die Reaktion wird durch verschiedene Katalysatoren beschleunigt. Pt-basierte Materialien gelten als Standard, während moderne Ansätze kohlenstoffbasierte oder nmodulierte Katalysatoren sowie Übergangsmetall-N-Komplexe erforscht werden, um Aktivität, Stabilität und Kosten zu verbessern.

In der Zellbiologie dient Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor der Elektronentransportkette und wird zu Wasser reduziert: O2 + 4 e- + 4 H+ -> 2 H2O. Dieser Prozess treibt die ATP-Synthese an und ist grundlegend für aerobe Atmungsprozesse.

Standardpotentiale: In saurer Lösung O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O hat E° = +1,23 V. In basischer Lösung O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH- ≈ +0,40 V.