Elektrosynthese auf dem Vormarsch

Forscherin beim Aufbau einer Fluss­elektro­lyse (Bild: A. Sell, JGU)

Die Stabilisierung der Stromnetze wird mit dem Ausbau erneuer­barer Energien eine wachsende Heraus­forderung. Hier könnten Redox-Flow-Batterien einen wichtigen Beitrag leisten. Wissen­schaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz arbeiten im Rahmen eines Kooperations­projekts an der Entwicklung neuer Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien auf der Basis von Lignin, das in der Zellstoff­herstellung aus Holz als Abfall­produkt anfällt. Gemeinsam mit ihren industriellen und wissen­schaftlichen Partnern erforschen die Mainzer Chemiker damit die Nutzung nach­wachsender Rohstoffe zur effizien­teren Verwendung erneuer­barer Energien. Bisher wird für Fluss­batterien vor allem das Metall Vanadium verwendet, das jedoch nur in begrenzter Menge zur Verfügung steht und außerdem teuer ist. Für die Arbeits­gruppe um Siegfried Waldvogel vom Institut für Organische Chemie erschließt sich mit diesem Projekt ein neues Forschungs­feld, in das sie ihre lang­jährige Erfahrung auf dem Gebiet der Elektro­chemie einbringen kann.

Im Falle der Redox-Flow-Batterie geht es den Wissen­schaftlern darum, aus Lignin, das in Holz und allgemein in Pflanzen für Stabilität sorgt, geeignete Redox-Paare herzustellen. Diese Redox-Paare werden im Elektrolyt von Fluss­batterien aufgeladen und dann getrennt in Tanks gespeichert. Bei Bedarf werden sie später in der galvanischen Zelle zur Energie­erzeugung wieder zusammen­geführt. „Wir werden aus der Ablauge, die bei der Papier- und Zellstoff­produktion anfällt, durch elektro­chemische Zersetzung Chinone gewinnen und sie für den Einsatz in einer Batterie weiter optimieren“, erläutert Waldvogel die Aufgabe der Mainzer Kooperations­partner. Das Projekt wird vom Bundes­ministerium für Ernährung und Land­wirt­schaft BMEL bis Januar 2019 gefördert.

Bis zu acht ver­schie­dene Versuche können gleichzeitig in diesem Scree­ning-Elek­tro­lyseur durch­geführt werden. In jedem der kleinen Kunst­stoff­becher stecken zwei Elektroden. (Bild: C. Siering, JGU)

„Die Elektrosynthese hat hier in Mainz sehr an Fahrt aufgenommen“, ergänzt Waldvogel, der das Forschungsgebiet seit 2010 an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz etabliert. In den letzten drei Jahren konnte die Gruppe neue Projekte mit einem Förder­volumen von rund vier Millionen Euro einwerben. Bei der Elektro­synthese geht es im Wesent­lichen darum, elek­trischen Strom als Reagens zu nutzen, wobei die Elektronen zur Oxidation oder Reduktion von organischen Stoffen dienen. Das ist billiger und wesentlich umwelt­freundlicher als konventio­nelle Reagen­zien, sofern Elektri­zität aus erneuer­baren Energien verwendet wird. „Man spricht aktuell von der Elektrifizierung der chemischen Synthese und es wird erwartet, dass diese Entwicklung zukünftige Industriegesellschaften weltweit beeinflusst“, so Waldvogel.

Bisher gibt es nur wenige industriell genutzte elektro­synthetische Prozesse für organische Moleküle. Die Gruppe von Siegfried Waldvogel hat nun unter anderem die Gewinnung des Aromastoffs Vanillin aus Holz­abfällen entwickelt. Außerdem werden einige Hilfs­stoffe für chemische Reaktionen mit diesen Verfahren schneller verfügbar gemacht. Eine besondere Erfolgsgeschichte ist die Veränderung eines Arzneimittel­bausteins in Kooperation mit Novartis: Nachdem konven­tionelle Methoden nicht ans Ziel führten, genügte den Mainzer Wissen­schaftlern nur eine elektro­chemische Umsetzung, um das Produkt zu erhalten.

Neben Geschmacks- und Duftstoffen sowie Wirkstoffen sieht Waldvogel für die Elektro­synthese großes Potenzial bei der Herstel­lung spezieller Erzeugnisse für die Agrochemie und von Molekülen für die Material­wissen­schaften. Mit dieser Methode können oft viele konven­tionelle Synthese­schritte abgekürzt werden. Darüber hinaus senkt das Verfahren die Abhängig­keit von knappen Rohstoffen, die normalerweise für chemische Reagenzien benötigt werden. Die Fluss­elektro­lyseure für die Labor­versuche, bei denen elektro­chemische Prozesse ablaufen, werden in der JGU-eigenen Werkstatt als Prototypen entwickelt und gebaut. (Quelle: JGU)

Link: Organic Electrochemistry (AK Waldvogel), Institut für Organische Chemie, Johannes Gutenberg-Universität Mainz

 

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