Von Batterien bis zu Vanillin: Elektrochemie verwandelt Holzabfälle

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 (JGU) 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 Prof. Dr. 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.

Elektrosynthese bringt grüne Chemie voran

„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.

Fotos:
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Forscherin beim Aufbau einer Flusselektrolyse
Foto/©: Alexander Sell, JGU

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Bis zu acht verschiedene Versuche können gleichzeitig in diesem Screening-Elektrolyseur durchgeführt werden. In jedem der kleinen Kunststoffbecher stecken zwei Elektroden.
Foto/©: Carsten Siering, JGU

Weitere Informationen:
Dr. Carsten Siering
Arbeitskreis Waldvogel
Institut für Organische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-26067
Fax +49 6131 39-26777
E-Mail: siering@uni-mainz.de
http://www.chemie.uni-mainz.de/OC/AK-Waldvogel/

Weitere Links:
https://www.blogs.uni-mainz.de/fb09akwaldvogel/forschung/organic-electrochemistr…
http://www.uni-mainz.de/presse/57994.php (Pressemitteilung vom 23.10.2013 „Zukunftspreis Pfalz geht an Mainzer Chemiker Siegfried Waldvogel“)
https://www.fnr.de/ (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe)