Kategorie: Artikel des Monats

In Zeiten von Fake News und hyperaktivem Publizieren nehmen wir bei Frontis Energy uns die Zeit, Artikel wirklich noch zu lesen. Hier ist was wir gefunden haben.

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Rutheniumkatalysierte Amidhydrierung zu Aminen unter milden Bedingungen

Chemiker bei der Arbeit im Labor

DOI: 10.13140/RG.2.2.30340.08323

Die Umwandlung von Amiden in primäre Amine ist eine scheinbar einfache Reaktion, die Chemiker seit Jahrzehnten vor große Herausforderungen stellt. Amide sind allgegenwärtig: in Pharmazeutika, Polymeren, Agrochemikalien und biologischen Systemen. Ihre außergewöhnliche Stabilität macht sie jedoch notorisch schwer selektiv reduzierbar.

Klassische Syntheserouten erfordern häufig harte Reaktionsbedingungen, mehrstufige Verfahren oder indirekte Umwege über Nitrile oder aktivierte Zwischenprodukte. In einem kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Artikel berichten Forscher des Leibniz-Instituts für Katalyse in Rostock über eine allgemeine, hochselektive rutheniumkatalysierte Hydrierung, mit der dieses Problem unter überraschend milden Bedingungen erstmals überzeugend gelöst wird.

Der entscheidende Fortschritt liegt im Design eines homogenen Rutheniumkatalysators, der durch einen methoxysubstituierten, tripodalen Triphos-Liganden koordiniert ist. Ein solcher Triphos-Ligand ist ein dreizarmiger Monophosphanligand, der so ausgelegt ist, daß er sehr stark und in einer wohldefinierten Geometrie an ein Übergangsmetallzentrum – hier Ruthenium – bindet.

In Gegenwart von molekularem Wasserstoff und einer geringen Menge Ammoniak ermöglicht dieser Katalysator die direkte und saubere Hydrierung primärer Amide bei etwa 115 °C und 10 bar H₂. Diese Bedingungen sind deutlich milder als jene früherer Verfahren. Entscheidend ist dabei die Rolle des Ammoniaks: Es lenkt die Reaktion gezielt in Richtung der gewünschten Spaltung der Kohlenstoff–Sauerstoff-Bindung und unterdrückt die Bildung von Alkoholen, sekundären Aminen und anderen typischen Nebenprodukten.

Besonders bemerkenswert ist die breite Anwendbarkeit der Methode. Die Autoren zeigen die effiziente Umsetzung aromatischer, heteroaromatischer, aliphatischer und sogar langkettiger fettbasierter Amide zu den entsprechenden primären Aminen, häufig in sehr guten Ausbeuten. Funktionelle Gruppen wie Halogenide, Ether, Sulfonate oder Borsäureester werden toleriert, während empfindliche Strukturelemente weitgehend erhalten bleiben. Diese große Substratbreite ist ungewöhnlich, da die Hydrierung primärer Amide mit zunehmender struktureller Komplexität typischerweise versagt.

Mechanistische Untersuchungen, unter anderem mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), zeigen, daß der aktive Katalysator über eine Ruthenium-Dihydrid-Spezies arbeitet, wobei Ammoniak reversibel an das Metallzentrum koordiniert. Ammoniak setzt das katalytische System dabei kontinuierlich zurück und begünstigt so die Bildung primärer Amine. Diese mechanistische Klarheit ist nicht nur von akademischem Interesse, sondern erklärt die außergewöhnliche Zuverlässigkeit der Methode über viele Substrate hinweg.

Die Bedeutung dieser Chemie reicht weit über das Syntheselabor hinaus. Sie ist für zahlreiche Bereiche der chemischen Industrie relevant, etwa für die pharmazeutische Produktion, in der viele Wirkstoffe und Zwischenprodukte Amidfunktionen enthalten. Die direkte Hydrierung primärer Amide zu primären Aminen vereinfacht hier Spätsyntheseschritte und reduziert Abfallströme. Auch biologisch aktive Verbindungen lassen sich effizient herstellen, darunter biogene Amine wie Phenethylamin, Tyramin, Dopamin-Derivate oder Histamin-Analoga.

In der Feinchemie und Farbstoffindustrie sind Benzylamine und heterocyclische Amine zentrale Bausteine für Pigmente, Liganden und Spezialchemikalien. In der Polymer- und Materialchemie ist die Umwandlung von Diamiden in Diamine – etwa von Adipamid zu Hexamethylendiamin – unmittelbar relevant für die Herstellung von Nylon und anderen Hochleistungspolymeren.

Für Frontis Energy besonders interessant sind Anwendungen in der erneuerbaren und petrochemischen Industrie. Die Hydrierung von Fettsäureamiden zu Fettaminen eröffnet einen alternativen Syntheseweg zu Tensiden, Weichspülern, Asphaltadditiven und Chemikalien für die Öl- und Gasindustrie. Mit dem neuen Verfahren könnten diese Produkte perspektivisch aus pflanzlichen Ölen statt aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden.

Kurz gesagt liefert diese Arbeit das, was das ACS Green Chemistry Institute einst als eine „Traumreaktion“ bezeichnet hat: eine selektive, skalierbare, wasserstoffbasierte Reduktion von Amiden. Sie stellt einen bedeutenden Schritt hin zu einer grüneren und einfacheren Synthese von Aminen dar, die eine Schlüsselrolle in moderner Chemie, Materialwissenschaft und Lebenswissenschaften spielen.

Kuloor, et al. 2026, General and selective ruthenium-catalyzed hydrogenation of primary amides to primary amines under mild conditions. Nature Communications 17, 3525 DOI: 10.1038/s41467-026-69794-2

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Nachhaltigkeitsanalyse von natürlich vorkommenden Graphit

Natürliches Graphitgranulat aus einer österreichischen Mine

DOI: 10.13140/RG.2.2.19123.59682

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht nur Lithium ein entscheidender Rohstoff, sondern auch Graphit. Die weitverbreitete Verwendung von Graphit wird seinem niedrigen Preis, seiner natürlichen Verfügbarkeit, seiner hohen Energie- und Leistungsdichte sowie seiner langen Lebensdauer zugeschrieben. Das macht Graphit zu einer sehr vorteilhaften Wahl für Anoden in Lithium-Ionen-Batterien.

Als Alternativen zu Litium-Graphitanoden wurden Siliziumanoden in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazität, Verfügbarkeit und niedrigen Kosten erforscht. Allerdings verringern Probleme wie Volumenausdehnung und Zuverlässigkeit die Chancen auf erfolgreich Kommerzialisierung insbesondere in Elektrofahrzeugen.

Batteriefähiges anodenaktives Material wird aus natürlich abgebautem oder synthetischem Graphit gewonnen. Graphit aus natürlichen Erzen hat in der Regel niedrigere Produktionskosten, jedoch auch eine geringere Reinheit und Qualität. Seine anisotrope Kristallstruktur kann die Leistung in Lithium-Ionen-Batterien beeinträchtigen, auch wenn es oft höhere Kapazitäten zuläßt. Dieser Vorteil geht jedoch typischerweise mit einer reduzierten Lebensdauer einher.

Im Gegensatz dazu ist synthetisches Graphit kostspieliger in der Herstellung, bietet jedoch eine deutlich höhere Reinheit und Konsistenz. Synthetisches Graphit wird aus Kohlenstoffvorläufern wie Petroleumkoks oder Steinkohleteer gewonnen, Aufgrund seiner höheren Reinheit hatte er im Jahr 2025 einen höheren Marktanteil von 60% am weltweiten  Umsatz. Der höher Anteil am Umsatz ist dabei auch den höheren Preisen geschuldet.

Durch seine isotrope Kristallorientierung besitzt synthetisches Graphit eine bessere thermische Stabilität, geringere thermische Ausdehnung und schnellere Lithiationskinetik. Infolgedessen bietet es eine insgesamt stärkere Batterieleistung und eine längere Lebensdauer, obwohl es in der Regel niedrigere Kapazitäten aufweist.

Da der Markt für Batterien wektweit wächst, müssen auch seine Lieferkette robust und nachhaltig sein. Kanada verfügt über reichhaltige Ressourcen an natürlichem Graphit, das in der Provinz Québec abgebaut und verarbeitet wird. Um die Umweltauswirkungen dieser neuen Lieferkette besser zu verstehen, wurde eine Nachhaltigkeitsanalyse für je eine Graphitmine und eine Graphitverarbeitungsanlage in Québec von Forschern der Concordia University in Montreal durchgeführt. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal MDPI Batteries publiziert.

Die Arbeit integrierte standortspezifische Daten zum Abbau und zur Verarbeitung (2022–2025) mit Ecoinvent in OpenLCA und konzentriert sich hauptsächlich auf das Ersatzpotenzial für Treibhausgase (CO₂‑Äquivalente) und die Wassernutzung.

Die Wissenschaftler zeigten, daß  die Produktion von einer Tonne anodenfähigen Graphits in Québec etwa 1,44 Tonnen CO₂-Äquivalente erzeugt. Das ist deutlich weniger als die 9,6 Tonnen CO₂, die pro Tonne chinesischen Graphits. Die Nachhaltigkeitsanalyse in Québec zeigt also eine erhebliche Reduzierung der Kohlenstoffintensität auf.

Die modellierte Kette umfaßte die Tagebaugewinnung durch Bohrungen, Sprengungen und Abfuhr, sowie die Aufbereitung durch Zerkleinerung, Mahlung, Flotation und Entwässerung. Schließlich wurde auch die finale Verarbeitung des anodenfähigen Graphits durch Mikronisierung und Spheronisierung, Reinigung durch Säureauslaugung und Karbon-Beschichtung, gefolgt von Endverarbeitung und Verpackung untersucht. Die Spheronisierung wandelt das Konzentrat in sphärische Graphitgranulate um, um die Schüttdichte und die Packeffizienz in der Anode zu erhöhen. Beträchtliche Nebenprodukte entstehen z.B. als Feinstoffe.

Innerhalb der Prozessanlage in Québec sind Mikronisierung und Spheronisierung, sowie Reinigung und Beschichtung die energieintensivsten Schritte. Reinigung Säurelaugung ist auch der größte Einzelbeitrag zu den CO₂- und Wasserknappheitsauswirkungen. Allerdings mildert die sehr niedrige Kohlenstoffintensität des Netzes (Wasserkraft) stark den Fußabdruck dieser elektrischen Lasten. Im Gegensatz dazu bleibt Erdgas, das für die Hochtemperaturreinigung und Beschichtung verwendet wird, die größte direkte CO₂-Quelle.

Der CO₂-Ausstoß beim Bergbau wird hauptsächlich durch Diesel in Lastwagen und schweren Geräten verursacht. Detaillierte Ausrüstungsdaten zeigten, daß der Abtransport den Treibstoffverbrauch dominiert. Die Wasserwirkungen beim Konzentrator sind aufgrund der Flotation und der Abraumbehandlung erhöht. Jedoch reduzierten ein geschlossenes Wassersystem und eine dedizierte Abwasserbehandlung die Entnahme von Frischwasser und Belastungen durch Abwässer.

Die Forscher interpretierten zudem die Ergebnisse ihrer Nachhaltigkeitsanalyse, um die Auswirkungen zu bewerten, Nahhaltigkeitsschwerpunkte zu identifizieren und die Phasen mit der höchsten Ressourcenintensität bzw. den höchsten Emissionsprofilen zu bestimmen. Diese Analyse erleichterte die Darstellung von umweltbelastenden Zwischenschritten. Erdgas, das für die Reinigung und Beschichtung in der Verarbeitungsanlage verwendet wird, war der größte CO₂-Quelle, gefolgt von Diesel- und Stromverbrauch.

Neben Graphit spielt aber auch der Abbau von Lithium und Spurenelementen eine erheblich Rolle bei der Nachhaltigkeit von Batterien. Diese waren jedoch nicht Gegenstand der Untersuchung. Allerdings dominiert Graphit den Markt für Anodenmaterialien und macht bis zu 98% des Marktanteils aus, während Li4Ti5O12 nur etwa 2% einnimmt.

Die Studie schloß mit einer integrierten Synthese der Ergebnisse ab und gab gezielte Empfehlungen zur Prozeßoptimierung, Emissionsreduzierung und Verbesserung der Nachhaltigkeit über die gesamte Lieferkette. Diese systematische und transparente Methodik gewährleistete eine robuste Bewertung der Umweltbelastung durch die Produktion von anodenfähigen Graphit.

Trotz des erheblichen Rückgangs der CO₂-Emissionen im Vergleich zum Graphitabbau und -verarbeitung in China hebt die Forschung weitere Verbesserungsmöglichkeiten hervor. Insbesondere durch die Elektrifizierung von Bergbaugeräten zur Reduzierung des Dieselverbrauchs und die Minimierung oder Substitution des Erdgasverbrauchs während der Reinigung und Beschichtung an der Anlagenstelle könnten CO₂-Emissionen weiter reduziert werden.

Bei Frontis Energy beobachten wir intensiv die Dekarbonisierung und Diversifizierung von Lieferketten und liefern Produkte aus verschiedenen Quellen.

Vegh, et al., 2026, Toward sustainable anode materials: LCA of natural graphite processing in Québec, MDPI Batteries, 12, 68. DOI: 10.3390/batteries1202006

Bild: Natürliches Graphit aus einer österreichischen Mine

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Elektrochemische Ameisensäure als Vorstufe für mikrobielles Ectoin

Frau trägt Gesichtscreme auf

DOI: 10.13140/RG.2.2.12412.71044

Ectoin ist wertvoller Rohstoff für die Kosmetikindustrie und wird in Hauptcremes und zum UV-Schutz verwendet.Seine Synthese folgt mehreren chemischen Umwandlungen basierend auf komplexen Rohstoffen. Das macht seine Herstellung teuer. Bei der Suche nach einfacheren Rohstoffen ist CO₂ besonders interessant.

Unter den aufkommenden Strategien zur Nutzung von CO₂ als Rohstoff hat seine elektrochemische Reduktion zu Brenn- und anderen Rohstoffen erheblich an Aufmerksamkeit gewonnen. In einem älteren Artikel hatten wir bereits über unsere eigenen Versuche berichtet. Zu den einfach herzustellenden Produkten gehört Ameisensäure, die als Zwischenprodukt für mikrobielle Synthese dienen kann. Dies liegt zum einen an der hohen Löslichkeit von Ameisensäure in Wasser seiner reltic hohen Reinheit ohne viele Nebenprodukte und der niedrigen Überspannung bei der CO₂-Reduktion.

Die mikrobielle Synthese von höherwertigen Produkten aus Ameisensäure hat zunehmendes Interesse geweckt. Dies kann man beispielsweise durch geneitsche Veränderungen von Escherichia coli erreichen. Um die elektrochemische CO₂-Reduktion mit der mikrobiellen Synthese zu kombinieren, auch andere Mikroorganismen wie Cupriavidus necator, Methylobacterium extorquens und Essigsäurebakterien untersucht. Als nutzbare Produkte sind Biokunststoffe, langkettige Karbonsäuren, Aminosäuren und Alkohole hergestellt worden.

Diese Bemühungen haben sich jedoch größtenteils auf Massenprodukte oder Vorstufen wie Essigsäure, Ethanol, Butanol, Polyhydroxyalkanoate usw. konzentriert. Das Potenzial für die Synthese von hochwertigen Produkten ist immernoch viel zu wenig erforscht.

Forscher am Umweltforschungszentrum in Leipzig (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung) haben nun einen Machbarkeitsnachweis für die Produktion von Ectoin aus Ameisensäure erbracht und im Fachblatt Engineering in Life Sciences publiziert.

Dazu benutzten sie Methyloligella halotolerans, das die Fähigkeit besitzt mit Ameisensäure als einziger Energiequelle zu wachsen. Die Forscher verglichen die Ectoinproduktion mit vier verschiedenen Substraten: Methanol, Ameisensäure und elektrochemisch hergestellter Ameisensäure aus CO₂.

Die elektrochemische Reduktion von CO₂ an zinnbasierten Gasdiffusionselektroden wurde der biologischen Weiterverarbeitung also vorgeschaltet. Dadurch enstad eine Methanol-Ameisensäure-Mischung. CO₂ wurde in einer Flußzelle mit einer zinnbasierten Gasdiffusionskathode einer Platinanode reduziert. Eine Nafion 117-Protonenaustauschmembran trennte die Kammern. Beide Seiten wurden mit Salzmedium gefüllt, um den ionischen Übergang vor der direkten Einspeisung der Katholyte in die Kultur zu minimieren.

Zudem zeigten die Forscher, daß salzhaltige mikrobiologische Medien als Elektrolytlösung für die kombinierte elektrochemisch-mikrobiologische Synthese verwendet werden konnte. Das ist wichtig, da Salzlösungen eine bessere Leitfähigkeit besitzen.

Diese Studie etabliert Formiat als eine geeignete Kohlenstoffquelle für die Ectoinsynthese im halophilen methylotrophen Bakterium Methyloligella halotolerans. Durch die Verwendung von elektrochemischer Ameisensäure zur Ectoinsynthese zeigten die Forscher, daß salzhaltige Elektrolyte für die kombinierte elektrochemische-mikrobielle Synthese von wertvollen Verbindungen in Elektro-Biorefinieren genutzt werden können.

Substratspezifische Ectoinerträge waren mit Methanol stets höher. Eine Substratmischung aus Ameisensäure und Methanol verbesserte die Aufnahme der Ameisensäure, blieb jedoch hinter reinem Methanol zurück. Das unterstreicht die Bedeutung von zukünftigen Optimierungen der Aufnahme der Ameisensäure durch Mikroorganismen.

Die Optimierung elektrochemischer Parameter, einschließlich verbesserter Pufferung, Elektrolytzusammensetzung und Elektrodenselektivität in salzhaltigen Lösungen, könnte die Ausbeuten weiter steigern. Weitere Fortschritte durch Stammenzüchtung oder genetischen Modifikation, bessere Substratmischungen und die Gewinnung von Ectoin durch schonendere Methoden anstelle von Zellyse könnten die Produktivität erheblich steigern.

Bei Frontis Energy sind wir wie immer gespannt, wie sich die vorgestellte Lösung industriell Skalieren läßt und Produkte wie mikrobielles Ectoin auf Märkten wie den Pharma- und Kosmetikmärkten etablieren.

Kas et al., 2026, Exploring ectoine production from methanol, formate, and electrochemically produced formate by Methyloligella halotolerans, Engineering in Life Sciences, 26:e70063, DOI: 10.1002/elsc.70063

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Ammoniakelektrosynthese in einer Flußzelle mit Palladiummembran

Düngemittelgranulat

Ammoniak (NH₃), ein entscheidender Rohstoff für die Düngemittelproduktion und ein potenzieller erneuerbarer, kohlenstoffreier Energiespeicher. Seine Produktion findet über das Haber-Bosch-Verfahren mithilfe von Erdgas (CH4) statt. Dabei wird Erdgas durch Dampfreformierung in Wasserstoff (H₂) und CO₂ umgewandelt. Das Haber-Bosch-Verfahren ist für etwa 1-3% der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich. Das Verfahren benötigt stabile Energieversorgung und kapitalintensive Anlagen. Dadurch ist die Ammoniakproduktion stark zentralisiert. Alternative elektrochemischen Wege zur Ammoniakproduktion stellen dagegen eine nachhaltige und dezentralisierte Lösungen dar.

Elektrochemische Ammoniakproduktion ist kein neues Verfahren und basiert auf Wasserstoffelektrolyse. Wasserstoff wird dann in einem weiteren Schritt zur katalytischen Stickstoffreduktion benutzt. Experimentell wurden dafür Lithium und Kalzium verwendet. Neben anderen elektrochemischen Zellen wurde Ammoniak in kontinuierlichen Flußzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 76% hergestellt. Eine stabile Ammoniakproduktion in Flußzellen erfordert jedoch trockenen und gereinigten Wasserstoff.

Das primäre Problem mit ungetrocknetem Wasserstoff ist die übermäßige Bildung von Lithiumhydroxid (LiOH):

2 Li + 2 H₂O → 2 LiOH + H₂

Wasserelektrolyse könnte jedoch komplett eliminiert werden, wenn die durch die Wasseroxidation erzeugten Protonen (H+) direkt an die mit Lithium beschichtete Kathode geliefert würden. Dadurch würde das System weiter vereinfacht und die Investitionskosten könnten gesenkt werden.

Genau das haben jetzt Forscher am Imperial College London gezeigt. Sie koppelten kontinuierliche wäßrige Wasseroxidation direkt an lithiumvermittelten Stickstoffreduktion unter nicht-wäßrigen Bedingungen, in einer Zweikammer- Flußzelle. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich im Fachblatt ACS Energy Letters.

Die Kopplung ereichten sie durch eine elektrisch isolierte, wasserstoffdurchlässige Palladiummembran zwischen den Kammern. Auf der Anodenseite (wäßrig) wurde Wasser an einer mit Iridiumoxid beschichteten Titananode oxidiert, um Protonen, das heißt adsorbiertes H zu erzeugen. Diese Form des Wasserstoffs durchdrang die Palladiummembran. Sie gelangte dann in die trockene, nicht-wäßrige kathodische Kammer, wo N₂ an Lithium reduziert wurde.

Schema Palladiummembran Ammoniaksynthese

Die Palladiummembran war während der Stickstoffreduktion nicht in den externen Stromkreis integriert. Sie war gleichzeitig aine Protonenquelle und -senke, was dank ihrer elektrischen Leitfähigkeit und der Wasserstoffpermeabilität ermöglicht wurde.

Die Wissenschaftler validierten zuerst den Protonentransport über die Palladiummembran bei gleichzeitiger Wasserabweisung durch symmetrische Zelltests und ¹H-NMR-Isotopieaustausch mithilfe von Wasser (H₂O) und Deuteriumoxid (D₂O, schweres Wasser).

Massenspektrometrie in Echtzeit mit D₂O an der Anode bestätigte, daß Deuteronen, die durch die Palladiummembran geliefert wurden, in Ammoniak (ND₂H) eingearbeitet wurden. Das bewies, daß die Protonen in NH₃ aus der Wasseroxidation und nicht nur aus dem ebenfalls eingesetzten Ethanol stammten. Dadurch wurde ein linearer Transfer von Ladung nachgewiesen bei gleichzeitig vernachlässigbaren Wassertransport.

Als Kontrolle wurde ein Versuch mit einer Nafion™-Membran durchgeführt, um zu demonstrieren, daß Membranen, die einen Wasserübergang zulassen, die Lithium-vermittelte Ammoniaksynthese verhindern. Nafion™ erlaubt einen Protonenübergang und ist gleichzeitig durchlässig für Wasser.

Die Forscher zeigten also, daß die elektrischen Leitfähigkeit der Palladiummembran es ermöglichte, diese gleichzeitig sowohl als Anode als auch als Kathode betreiben zu können. Dadurch kam es zu einer kontinuierlichen Umwandlung von Stickstoff und Wasser zu Ammoniak, ohne molekularen molekularen Wasserstoff als Zwischenprodukt zu erzeugen. Die Nafion™-Kontrolle bewies, daß der Protonentransport bei gleichzeitiger Verhinderung eines Wasserübergangs die Lithium-vermittelte Ammoniaksynthese zuließ.

Die Notwendigkeit einer Vorhydratisierung der Membran und der schrittweise Anstieg des Membranpotentials während des pulsierten Betriebs deuteten darauf hin, daß die Kinetik des Wasserstofftransfers und die Stabilität der Membran Schlüsselfaktoren für die Leistung waren. Das lag daran, daß das System für das neutrale wäßrige Elektrolyt mit Isotopenmarkierung optimiert war. Die Forscher schlugen in ihrem Artikel Wege zur Effizienzoptimierung vor. Dazu zähten sie unter anderem alternative wasserstoffpermeable Metalle und Legierungen auf.

Die vorgestellte Membran könnte über die Ammoniaksynthese hinaus Anwendung finden. Das wären anderen elektrochemischen Stoffumwandlugen, wo wasserfreie Bedingungen und eine kontrollierte Protonenabgabe erforderlich sind. Dazu zählen beispielsweise auch die CO₂-Reduktion und oder nicht-wäßrige Redox-Flußbatterien.

Für wietergehende Forschung schlagen die Autoren vor,

  1. den Protonenfluß zu erhöhen und den Membranübergangswiderstand zu reduzieren,
  2. alternative wasserstoffdurchlässige Metalle bzw. Legierungen zu testen, um Kosten zu verringern und
  3. Puls- und Leerlaufprotokollen zur Beobachtung des Lithiumverlusts durchzuführen.

Bei Frontis Energy sind wir schon gespannt, wie sich einzelne, monolithische Palladiummembran im Mark etablieren. Eine kontinuierliche Ammoniak-Elektrosynthese stellt einen konzeptionellen Fortschritt in Richtung einfacherer, robusterer grüner Düngemittelherstellung und Energiespeicherung dar.

Ye et al. 2026, Continuous ammonia electrosynthesis from nitrogen and water in a monolithic Pd membrane-based flow vell, ACS Energy Letters, DOI: 10.1021/acsenergylett.5c03617

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Polyelektrolyt-Beschichtung für Ionenaustauschmembranen in der Elektrodialyse

Reverse electrodialysis drinking water purification

DOI: 10.13140/RG.2.2.20145.13929

Ionenaustauschmembranen sind Schlüsselkomponenten für verschiedene elektrochemische Technologien in der Wasseraufbereitung und für Energiespeicherung, z.B. Elektrodialyse, Membranelektrolyse und Flußbatterien. Solche Membranen zeichnen sich durch eine hohe Konzentration an geladenen Gruppen aus, die entweder kationisch (positiv) oder anionisch (negativ) geladen sein können. Die Funktion einer Ionenaustauschmembran besteht darin, den Transport von Gegenionen zu fördern, während der Wasser- und Koionenverlust eingeschränkt wird.

Die Effizienz von Kationenaustauschmembranen wird diesen ungewollten Transport von Koionen und Wasser eingeschränkt. Der Transport von Hydroxidionen (OH−) über Kationenaustauschmembranen ist von besonderem Interesse. Je nach Anwendung ist die Kationenaustauschmembran entweder so konzipiert, daß sie den Hydroxidtransport selektiv erleichtert, oder sie minimiert den Hydroxidverlust. Bessere Ionenaustauschmembranen müssen daher solche zusätzlichen Funktionalitäten unterstützen.

Forscher der Universität Wageningen haben den Ionenaustausch und den Wassertransport über beschichtete und unbeschichtete Kationenaustauschmembranen charakterisiert. Ihre Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler im Fachblatt Journal of Membrane Science. I ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler die Beschichtung von Kationenaustauschmembranen mit Polyelektrolyten bestehend aus Polyallylamin und Polystyrolsulfonsäure.

Die Forscher beschichteten eine Seite von kommerziellen Kationenaustauschmembranen mit Doppelschichten dieser beiden Polymere. Anschließend untersuchten sie den Transport von Ionen und Wasser für Diffusionsdialyse und Elektrodialyse. Bei Diffusionsdialyse handelt es sich um passiven Ionentransport, der durch Konzentrationsgradienten angetrieben wird. Dagegen findet bei der Elektrodialyse der Ionentransport aktiv statt und wird von einem angelegtem Strom angetrieben.

Die Beschichtungen sollten hinsichtlich ihrer Selektivität für monovalenten und bivalenten Ionen bewertet werden. Diese Selektivität beeinflußt den Hydroxidtransport und die Wasserpermeabilität. Beides sind Schlüsselfaktoren für die Effizienz der bipolaren Membranelektrodialyse, bei der  die mit salzhaltigen Lösungen mit mehrwertigen Kationen wie Magnesium und Kalzium behandelt werden.

Der Transport von Magnesium und Kalziumwar durch die Beschichtungen erheblich eingeschränkt, während der Transport von Natrium weitgehend unbeeinflußt blieb. Diese Selektivität ergab sich aus dem Donnan-Ausschlußmechanismus und Unterschieden in den Hydrathüllen. Mehrwertige Ionen haben im Bereich der Kationenaustauschmembran einen höheren Widerstand.

Dabei war Orientierung ist entscheidend. Die Ausrichtung der Beschichtung beeinflußte die Leistung. In Richtung des mehrwertigen Ionenströmungsbereichs erhöhte sich der Widerstand, was den Fluß von Magneiumionen verringerte. Diese Erkenntnis ist entscheidend für das Design von Apparaten zur bipolaren Membranelektrodialyse.

Überraschenderweise reduzierten Beschichtungen die Wasserkreuzung nicht. Die dichte Schicht blieb der Engpaß. Der Hydroxidfluß war in beschichteten Membranen, die extremen pH-Werten ausgesetzt waren, etwas höher. Das lag  wahrscheinlich an strukturellen Veränderungen während des Beschichtungsvrogangs.

Die Kombination einer Kationenaustauschmembran mit niedrigem Wassergehalt mit einer Beschichtung könnte die direkte Verwendung von unbehandelten Salzlösungen in der bipolaren Membranelektrodialyse ermöglichen. Dodurch würden die Vorbehandlungskosten gesenkt und die Nachhaltigkeit würde verbessert. Die Fuji CEM-12 erwies sich als vielvesprechender Kandidat für zukünftige Designs mit Beschichtungen.

Die Diffusion von Salzen über unbeschichtete Kationenaustauschmembranen wurde hauptsächlich durch den Aniontyp, wie z.B. Chlorid, Sulfat, oder Hydroxid bestimmt. Außerdem hatten die Membraneigenschaften, einschließlich des Wassergehalts der Membran und der ionischen Ladungsdichte einen großen Einfluß. Die ionische Ladungsdichte bestimmte die Anionenverteilung innerhalb der Kationenaustauschmembranen.

Die Forscher hatten verschiedene kommerzielle Kationenaustauschmembranen auf einer Seite mehrfach mit Polyelektrolyten beschichtet. Bei unbeschichteten Kationenaustauschmembranen korrelierte die Wasserdurchlässigkeit gut mit dem ionischen Widerstand der Membran. Der Grund war die Abhängigkeit beider Parameter vom Wassergehalt der Membran. Darüber hinaus stieg die Durchlässigkeit für Koionen mit zunehmendem Wasservolumenanteil in der Membran.

Der osmotischen Wassertransport der Kationenaustauschmembranen wurde durch die Mehrfachaschichten aus Polyallylamin und Polystyrolsulfonsäure nicht beeinflußt. Die Forscher empfahlen, Kationenaustauschmembranen mit niedrigem Wassergehalt einseitig zu beschichten, um den Transport von Hydroxiden und problematischen multivalenten Kationen zu minimieren.

Diese Arbeit zeigt, daß intelligente Oberflächenbearbeitung mittels Polyelektrolytschichten die Funktionalität konventioneller Membranen ohne wesentliche Kompromisse erhöhen kann. Während der Wassertransport eine Herausforderung bleibt, ist die Fähigkeit, mehrwertige Ionen zu blockieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit für Natriumionen aufrechtzuerhalten, ein großer Schritt in Richtung effizienterer und kostengünstigerer Dialysesysteme.

Bei Frontis Energy sind wir gespannt auf den zukünftigen Einsatz von mehrfachbeschteten Membranen im industriellen Maßstab.

Elozeiri et al. 2026, Water and co-ion transport across ion-exchange membranes coated with PAH/PSS polyelectrolyte multilayer in electrodialysis and diffusion dialysis, Journal of Membrane Science,741, 125072, DOI: 10.1016/j.memsci.2025.125072

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Transformation von Wassersystemen mit skalierbaren Membranlösungen

Sauberes Wasser aus einem Wasserhahn

DOI: 10.13140/RG.2.2.30211.46883

In einer Welt, die zunehmend von der Notwendigkeit sauberer Prozesse, nachhaltiger Produktion und fortschrittlicher Materialien geprägt ist, hat sich Membrantechno­logie als zentraler Wegbereiter über viele Branchen hinweg etabliert. Ihre Anwendungsgebiete reichen von Was­seraufbereitung und Energiegewinnung bis hin zu chemischer Trennung und Bio­prozeßtechnik. Moderne Membranen zeichnen sich durch hohe Selektivität, kompakte Bauweise und geringe Energiean­forderungen aus. Für die Industrie sind sie unverzichtbar sowohl für die Einhaltung von Umweltstandards als auch für Erfüllung leistungsbezogener Anforderungen.

Im Zentrum der Membranherstellung steht ein bewährtes Verfahren der lösungsmittelfreien Phasentrennung. Dabei wird eine Polymerlö­sung zunächst zu einer dünnen Schicht verarbeitet. Danach wird die Phasentrennung meist ähnlich wie bei der Käseherstellung durch Eindicken oder Dampfeinwirkung ausgelöst. Am Ende entsteht dadurch eine poröse Matrix mit fein abgestimmten Filtereigenschaften. Diese Verfahren haben sich aufgrund ihrer Einfachheit und Skalierbarkeit in der industriellen Membranproduktion etabliert. Sie liefern zuverlässig Qualität für zahlreichen Anwendungen.

Die zunehmende industrielle Nachfrage nach spezialisierten und hocheffizienten Membranen treibt die Erforschung der Herstellungsverfahren weiter vor­an. Ein vielversprechendes Verfahren ist das geziel­te lösungsmittelfreie Besprühen. Diese wir­kungsvolle Modifikation, bei der das Eindickbad durch Besprühen ersetzt wird, ermöglicht strukturierte Oberflächen, verbes­serte Durchlässigkeit und geringere Verschmutzung. Gleichzeitig bleibt der Vorteil der industriellen Skalierbarkeit erhalten. Diese Innovation spielt eine entschei­dende Rolle bei der Anpassung von Membranen an die komplexen Anforderungen moderner Filtersysteme.

Eine aktuelle Pilotstudie der Katholischen Universität Leuven in Belgien hat erfolgreich die Sprühtechnik für Produktion von Membranen im 12-Zoll-Rollverfahren angepaßt. Dies stellt einen bedeutenden Schritt vom Labor zum Industriemaßstab dar. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fach­zeitschrift Membranes veröffentlicht. Die Forscher variierten bei ihren Versuchen sowohl die in Polymerkonzentra­tion und das Molekulargewicht, als auch die Verwendung hydrophiler Zusätze wie Polyethylengly­kol und Polyvinylpyrrolidon. Dadurch konnten sie fehlerfreie, gleichmäßig strukturierte Polysulfon-Ultrafiltrationsmembranen mit vielversprechenden Leistungsverbesserun­gen herstellen. Besonders hervorzuheben ist ein bis zu 350% höherer Wasserfluß im Vergleich zu herkömmlichen flachen Membranen. Das ist zurückzuführen auf tiefe Oberflä­chenstrukturen von bis zu 825 µm. Die poröse, fingerartige Innenstruktur erhöht die Durchflußrate ohne die Abscheidungseffizienz zu beeinträchtigen.

Unter den getesteten Additiven war Polyethylenglykol am besten geeignet. Sein Einsatz ermöglichte Membranen mit hoher reiner Wasserdurchlässigkeit von über 1000 Liter/m²/Stunde/bar und gleichbleibender Proteinscheidung (ca. 90%). Diese Membranen zeigten zudem aus­gezeichnete strukturelle Integrität und Homogenität. Beides sind entscheidende Faktoren für dauerhafte Haltbarkeit und Prozeßzuverlässigkeit. In der Studie wurden außer­dem Betriebsparameter wie die optimale Gießgeschwindigkeit, die lösungsmittelfreie Besprühungsrate und die Kontrolle der Lösungsviskosität als entscheidende Einfluß­größen für reproduzierbare Membranqualität und Skalierbarkeit des Prozesses identifiziert.

Dieser Sprung vom Labor- zum Pilotmaßstab kann weitreichende industrielle Folgen haben. Die Möglichkeit, kontinuierlich Membranen mit hohem Durchfluß und Fouling-Resi­stenz sowie präzisen Struktureigenschaften herzustellen, bietet der Industrie eine ro­buste und skalierbare Lösung. Die Anwendungsbereiche reichen von der kommunalen und industriellen Abwasserbehandlung über die biopharmazeutische Produktion bis hin zur Lebensmittelverarbeitung. Dabei handelt es sich um Branchen, in denen die Membran­leistung sowohl Umweltaspekte als auch Betriebskosten direkt beeinflussen kann.

Im Kern bedeutet die optimierte Herstellung durch Besprühen mehr als nur eine Lei­stungssteigerung. Die neue Herstellungsmethode ermöglicht auch den Übergang von einer rein akademischen Forschungsneuheit zur kommerziellen Einsatzfähigkeit. Der neue Ansatz überbrückt die Kluft zwischen Design und Anwen­dung. Er liefert ein solides Fundament für die Massenproduk­tion fortschrittlicher Membranen, die effizient, wirtschaftlich und umweltfreundlich sind.

Frontis Energy stellt sich eine Welt vor, die durch nachhaltige Membraninnovationen verwandelt wird. Dadurch können sauberes Wasser, Ressourceneffizienz und eine robuste Infra­struktur für alle zugänglich werden.

Ilyas, et al., 2025, Pilot-scale polysulfone ultrafiltrationpPatterned membranes: phase-inversion parametric optimization on a roll-to-roll casting system, Membranes 15, 8, 228, DOI: 10.3390/membranes15080228

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Fortschritt für nachhaltige Abwasserbehandlung: Ammoniumrückgewinnung mit Nafion-Membranen

Abwasserreinigungsanlage Bern

DOI: 10.13140/RG.2.2.24268.68488

Mit dem weltweiten Bevölkerungswachstum und der damit einhergehenden zunehmendem Umweltbelastung wird der Bedarf an nachhaltiger Abwasserbehandlung immer dringlicher. Herkömmliche Verfahren konzentrieren sich auf die Entfernung von Schadstoffen, übersehen jedoch oft die Chance, wertvolle Ressourcen zurückzugewinnen. Eine dieser Ressourcen ist Ammonium.Dieses Stickstoff enthaltende Molekül ist wachstumsfördernd und ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Bei unsachgemäßer Handhabung, wie z.B Überdüngung ist Ammonium einer der Hauptverursacher von Stickstoffverschmutzung.

Eine vielversprechende Lösung bieten bioelektrische Systeme. Das ist ein Sammelbegriff für innovative Technologien, die nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch Ressourcen wie Ammonium zurückgewinnen. Gleichzeitig erzeugen bioelektrische System saubere Energie wie z.B. elektrischen Strom oder Biogas. Die Technologie basiert auf galvanischen Zellen, wobei die beiden Zellkammern oft durch eine Membran getrennt sind. 115-Leistungsstarke Kationenaustauschmembran ermöglichen präzisen Ionentransport und Systemstabilität. Das Premiumprodukt unter den Kationenaustauschmembranen ist Nafion, wie z.B. unsere Nafion 115 Membran.

Bei Frontis Energy haben wir gezeigt, daß bioelektrochemische Systeme Ammonium aus Abwasser entfernen können und damit eine energieeffiziente Alternative zum energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren bieten. Zur Validierung dieses Konzepts entwickelten wir mikrobiologische Elektrolysezellen, die mit Mikroorganismen aus sauerstoffreien marinen Sedimenten vor der Küste Namibias besiedelt wurden. Diese Sedimente sind von Natur aus reich an Ammoniak und arm an organischem Kohlenstoff. Das sind ideale Bedingungen für Mikroben, die zur anaeroben Ammoniumoxidation befähigt sind. Zum Vergleich nahmen wir gewöhnliches kommunales Abwasser zur Besiedelung der Elektroden.

Die Aufrechterhaltung anoxischer Bedingungen war entscheidend, um Nitrifikation zu vermeiden. Dabei handelt es sich um einen Prozeß, der Elektronen direkt auf Sauerstoff überträgt und die Anode umgeht, was zu Energieverlust und verminderter Wasserstoffproduktion führt. Stattdessen regulierten wir das Anodenpotenzial zwischen +150 mV und +550 mV. Das war – deutlich unter dem für Wasseroxidation erforderlichen Redox-Potential von +820 mV. Diese Konfiguration ermöglichte die Oxidation von Ammonium zu Stickstoffgas (N₂) an der Anode, während an der Kathode Wasserstoff (H₂) erzeugt bzw. Methangas wurde.

Zentral für diesen Prozeß ist Nafion 115. Dabei handelt sich um eine Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymeren (PFSA-Polymere). Ihre außergewöhnliche Protonenleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Robustheit machen sie ideal für anspruchsvolle Abwasserumgebungen. Nafion 115 funktioniert wie ein selektives Tor, das Ammoniumionen (NH₄⁺) von der Anode zur Kathode wandern läßt, während konkurrierende Ionen blockiert und anoxische Bedingungen aufrechterhalten werden. Dieser selektive Transport, getrieben durch elektrische Feldgradienten und Konzentrationsunterschiede, gewährleistet eine effiziente Nährstoffrückgewinnung und stabile Leistung des bioelektrischen Systems.

Eine praktische Validierung dieser Technologie stammt aus unserem früheren Bericht, in dem Forscher einen zweikammerigen, anoxischen bioelektrischen Reaktor entwickelten, der Ammonium kontinuierlich mit einer Rate von etwa 5 g/m³/Tag entfernte. Ihr System wandelte über 97 % des Ammoniums direkt in Stickstoffgas um. Diese Umwandlung konnte ohne die Bildung schädlicher Zwischenprodukte wie Nitrit oder NOx-Gase durchgeführt werden. Besonders beeindruckend war der Energieverbrauch von nur 0,13 kWh pro Kilogramm entferntem Stickstoff. Das war eine 35-fache Reduktion im Vergleich zur konventionellen Belüftung, die typischerweise etwa 5 kWh/kg benötigt.

Diese Ergebnisse unterstreichen das transformative Potential von bioelektrischen Systemen. Wie eingangs erwähnt, wird viel Energie aufgewendet, um Stickstoff aus Abwasser zu entfernen, nur um ihn anschließend über das Haber-Bosch-Verfahren erneut verfügbar zu machen. Das macht 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Bioelektrische Systeme bieten eine zirkuläre Alternative: Durch die Kopplung von Ammoniumoxidation mit Wasserstoffproduktion könnten Kläranlagen zu Nettoenergieerzeugern werden. Erzeugte Wasserstoff und Biogas können direkt zur Stromerzeugung und letztendlich zur Reduktion von Treibhausgasen genutzt werden.

Mit den richtigen Biofilmen, gut kontrollierten Elektrodenpotenzialen und robusten Membranen wie Nafion 115 kann Ammonium als saubere, ressourcenschonende Alternative zur Wasserelektrolyse dienen. Dies verdeutlicht das Potential bioelektrischer Systeme, eine zirkuläre Wasserwirtschaft aufzubauen, wobei Abfall als Ressource genutzt wird.

Diese Technologie spiegelt das Engagement von Frontis Energy wider, saubere, effiziente und zirkuläre Lösungen zu fördern, die ökologische Herausforderungen in nachhaltige Chancen verwandeln.

Siegert and Tan, 2019, Electric stimulation of ammonotrophic methanogenesis. Frontiers in Energy Research 7:17. DOI: 10.3389/fenrg.2019.00017

Bild: Abwasserreinigungsanlage Bern

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Stabilität von Anionenaustauschmembranen für saubere Elektrolyse

Hydrogen electrolyzer China

DOI: 10.13140/RG.2.2.18396.65927

Energiesicherheit und Klimawandel gehören zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, treten erneuerbare Energiequellen als entscheidende Lösungen für eine nachhaltige Energieerzeugung in den Vordergrund. Zur Speicherung und zum Transport von erneuerbarer Energie sind skalierbare Lösung ein wichtiger Bestandteil. Wasserstoff erzeugt in Wasserelektrolyseure und verbraucht in Brennstoffzellen kann dabei helfen, die saisonale Variabilität erneuerbarer Energien auszugleichen.

Brennstoffzellen haben das Potential, erheblich zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beizutragen. Der Transport von Personen und Gütern ist für fast ein Drittel der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Trotz ihres Potentials bleibt die breite Einführung moderner Brennstoffzellen und Elektrolyseure aufgrund hoher Investitionskosten begrenzt. Das liet vor allem and teuren Katalysatoren aus Edelmetallen und perfluorierten Protonenaustauschmembranen.

Diese Herausforderung hat gestiegenes Interesse an Anionenaustauschmembranen geweckt. Unter alkalischen Bedingungen bieten sie mehrere Vorteile:

  • nicht‑edle Metallkatalysatoren dank nicht-korrosiver Bedingungen und
  • nachhaltigere Membranmaterialien

Allerdings gibt es bei der Einführung von Anionenaustauschmembranen einige Hürden. Dazu zählen insbesondere ihre kurze Lebensdauer unter alkalischen Bedingungen und oxidativem Streß.
Die Bildung von Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikalen unter alkalischen Bedingungen ist verantwortlich für den beschleunigten Zerfall von Polymeremembranen. Die Untersuchung des radikalinduzierten Zerfalls von Anionenaustauschmembranen ist daher von zentraler Bedeutung.

Dazu müssen im Labor effizient Radikale hergestellt werden. Die aktuellen Methoden wie thermische Zersetzung oder UV‑Aktivierung von Wasserstoffperoxid zur Herstellung solcher Radikale sind jedoch ineffizient. Sie sind zudem anfällig für Nebenreaktionen, wodurch ihre Relevanz für reale Betriebsbedingungen eingeschränkt wird.

Die Immersion in sauerstoffgesättigten alkalischen Lösungen ist ein effizienter Ansatz, der brauchbare Erkenntnisse geliefert hat. Dies Methode kann aber nicht unterscheiden zwischen dem natürlichen Zerfall von Membranen und dem durch Radikale beschleinigten Abbau.

Radioaktivität und starke elektromagnetische Strahlung ermöglichen eine präzise Kontrolle der Radikalbildung, erfordern jedoch teure, spezialisierte Infrastruktur. Es werden erschwingliche und praktikable Lösung benötigt, um Radikale im Labor unter realistischen Bedingungen gezielt zu untersuchen.

Dieser Herausforderung haben sich Forscher der von SINTEF in Norwegen und der ETH Zürich gestellt. Sie stellten angepaßte photochemische Methoden vor, die Radikale erzeugen und deren Einfluß auf die Stabilität von Anionenaustauschmembranen unabhängig von anderen Abbauprozessen untersuchen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Membranes veröffentlicht.

Durch die Bestrahlung wäßriger Kaliumnitritlösungen oder Titanoxidsuspensionen mit UV‑Licht bei 365 nm wurden erfolgreich Hydroxylradikale beziehungsweise eine Kombination aus Hydroxyl‑ und Superoxidradikalen erzeugt. Tests dieser Ansätze an drei kommerziellen Anionenaustauschmembranen – PiperION®‑40 (PiperION), FM‑FAA‑3‑PK‑75 (Fumasep) und PNB‑R45 (Polynorbornen) – zeigten deutliche Unterschiede in der Haltbarkeit. Erwartungsgemäß zerfielen dünnere, nicht verstärkte Membranen schneller als dickere, verstärkte Membranen. Verursacht wurde dieser Unterschied vermutlich durch die begrenzten Eindringtiefe hochreaktiver Radikale.

Beide Methoden erwiesen sich als praktische, erschwingliche und leicht zugängliche Werkzeuge zur Bewertung der Stabilität von Anionenaustauschmembranen gegenüber Radikalangriffen.
Photochemische Radikalerzeugung war daher ein praktikabler Weg, um den radikalinduzierten Zerfall von Anionenaustauschmembranen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Der nitritbasierte Ansatz erzeugte selektiv Hydroxylradikale, während Titanoxiduspensionen sowohl Hydroxyl‑ als auch Superoxidradikale lieferten.

Längere Bestrahlung schädigte die Membranen stärker. Dieses Ergebnis beweist deutlich die entscheidende Rolle von Radikalen bei der Zersetzung von Membranen. Experimente bei pH 10 ermöglichten eine Unterscheidung von natürlichen und radikalgetriebenen Ursachen.

Über den Nutzen im Labor hinaus sind beide Methoden auch von industrieller Bedeutung. Kombiniert mit kostengünstiger Laborausrüstung bieten sie weitflächig einsetzbare und reproduzierbare Werkzeuge zur Evaluierung kommerzieller und prototypischer Anionenaustauschmembranen. Durch die Kostenreduktion und die Verlängerung von Haltbarkeitstests unter realen Bedinungen kann die Entwicklung robuster Anionenaustauschmembranen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure beschleunigt werden.

Frontis Energy ist Teil der Mission, kostengünstige Lösungen zur Entwicklung effizienter Technologie zur Energieumwandlung zur Verfügung zu stellen. Dadurch stärken wir den weltweiten Übergang zu sauberen, widerstandsfähigen und nachhaltigen Energiesystemen.

Solyom, et al., 2025, Photochemical methods to study the radical-induced degradation of anion-exchange membranes. Membranes, 15, 305. DOI: 10.3390/membranes15100305

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Fortschritte bei der Ammoniumrückgewinnung mit bioelektrischen Systemen

DOI: 10.13140/RG.2.2.30016.19204

In den letzten Jahrzehnten hat sich der Schwerpunkt der Abwasserbehandlung von der reinen Entsorgung hin zur Rückgewinnung von Ressourcen verlagert. Dabei werden im Abwasser enthaltene Energie und Nährstoffen erschlossen. Unter den aufkommenden Technologien befinden sich auch bioelektrische Systeme. Neben Energie und Kohlenstoff können auch wertvolle Verbindungen wie Ammonium zurückgewonnen werden. In Ammonium gebundener Stickstoff ist ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Zwei Drittel dieser Ressource werden heute im sehr energieaufwendigen Haber-Bosch-Verfahren mithilfe von Erdgas aus Luft gewonnen. Die Düngemittelherstellung trägt damit wesentlich zu anthropogenen CO2-Emmissionen und schlußendlich zur globalen Erwärmung bei.

Bioelektrische Systeme zur Ammoniumrückgewinnung werden in mikrobielle Brennstoffzellen und mikrobielle Elektrolysezellen unterteilt. In beiden oxidieren elektrogene Mikroorganismen im Abwasser enthaltenes organisches Material zu Kohlendioxid und Protonen. Elektrogene Mikroorganismen werden auch als anodenatmende Bakterien bezeichnet. Im Gegensatz zu sauerstoffatmenden Bakterien nutzen Elektrogene die Anode als Elektronenakzeptor und gewinnen dadurch Energie für ihren Stoffkreislauf.

Durch die Verbindung mikrobieller Aktivität mit elektrochemischen Prozessen werden die chemischen Reaktionen bei der Abwasserreinigung effektiv katalysiert. Diese neuartige biokatalytische Anwendung steht jedoch vor Herausforderungen bei der Optimierung für den praktischen Einsatz. Bei Frontis Energy haben wir in einem patentierten Verfahren schon gezeigt, daß Ammonium in bioelektrischen Systemen effektiv aus Abwasser entfernt werden kann. Wir arbeiten derzeit daran, das Verfahren für den industriellen Einsatz zu skalieren. Allerdings fehlt derzeit noch das Verständnis sowohl der genauen Prozesse, als auch der für mögliche Rückgewinnung von Ammonium.

Eine neue Studie der Autonomen Universität Barcelona wurde die Entwicklung und Optimierung bioelektrischer Systeme untersucht. Ziel war es, Ammonium aus Abwasser energieeffizient und in konzentrierter Form zurückzugewinnen. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachblatt Bioelectrochemistry veröffentlicht. Mithilfe einer Drei-Kammer-Konfiguration mit hydrophober Membran untersuchten die Forscher systematisch den Einfluß unterschiedlicher Stromstärken und Ammoniumkonzentrationen auf die Rückgewinnung. Das System erreichte seine höchste Ammoniumrückgewinnungsrate von 55 g / m² / Tag bei einem Strom von 75 mA. Insgesamt wurde eine 97%ige Entfernung des Ammoniums aus einer 0.3%igen Lösung erzielt.

Bemerkenswerterweise fließen Elektronen vom Anoden- zum Kathodenbereich über einen externen Stromkreis, wo sie mit einem Elektronenakzeptor reagieren. In Systemen zur Rückgewinnung von Ammonium wandern Ammoniumionen durch eine Kationenaustauschmembran von der Anode zur Kathode, angetrieben durch Konzentrationsgradienten und das elektrische Feld, wodurch sie sich in der Kathodenkammer anreichern können.

Während dieser Ionentransportmechanismus eine effiziente Ammoniumrückgewinnung unterstützt, beobachteten die Forscher, daß ein Betrieb mit hoher Leistungsfähigkeit zu einem Materialverschleiß an der Kathode führte. Das unterstreicht die Notwendigkeit, Betriebsintensität mit Materialbeständigkeit in Einklang zu bringen. Folglich untersuchten die Forscher verschiedene Kathodenmaterialien und Spannungen. Dabei zeigte sich, daß Edelstahlkathoden bei 1,4 V die besten Ergebnisse lieferten – mit einer Entfernungsrate von 21 g / m² / Tag und einer Rückgewinnungsrate von 17 g / m² / Tag, vor allem aufgrund der verbesserten Kationenmigration infolge höherer Stromdichte.

Langzeitversuche zeigten, daß eine höhere Ammoniumkonzentration im Anolyt die selektive Migration von Ammoniumionen durch die Kationenaustauschmembran deutlich verbessert. Diese Verbesserung steigert wiederum die Gesamtleistung des Systems. Der Betrieb bei 1,4 V erhöhte die Rückgewinnungseffizienz und senkte den Energieverbrauch pro Gramm Stickstoff – was den Prozeß kosteneffizienter und umweltfreundlicher machte.

Diese Erkenntnisse unterstreichen das praktische Potential bioelektrischer Systeme als wegweisend zur nachhaltigen Stickstoffrückgewinnung. Durch die Abstimmung von Materialwahl, Systemdesign und Betriebsparametern lassen sich hohe Ammoniumentfernungs- und Rückgewinnungsraten bei minimalem Energieeinsatz erzielen.

Aus industrieller Sicht stelt diese Studie einen skalierbaren Fortschritt in Richtung Ressourcengewinnung bestehender Abwasserbehandlungssysteme dar. Skaliert könnte die Technologie die Abhängigkeit vom energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren reduzieren.

Da es sich bei Ammonium in konzentrierter Form um ein marktfähiges Produkt handelt, senkt seine Rückgewinnung die Betriebskosten von Kläranlagen. Sollte das skalierte Produkt durch die selbe stabile Langzeitleistung und geringen Energiebedarf überzeugen, wären dies starke Argumente für den Einsatz bioelektrischer Technologien im Rahmen der Kreislaufwirtschaft.

Bei Frontis Energy sehen wir großes Potential darin, diese Technologie zu skalieren und einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Abwasserbehandlung zu leisten.

Ul, et al. 2025, Electrochemical and bioelectrochemical ammonium recovery from N-loaded streams using a hydrophobic membrane, Bioelectrochemistry, Volume 166, 109013, DOI: 10.1016/j.bioelechem.2025.109013.

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Verbesserte Membrananordnungen für kapazitive Flußelektroden-Entsalzung

DOI: 10.13140/RG.2.2.11561.25447

Mit der sich verschärfenden globalen Trinkwasserknappheit wächst der Bedarf an praktikablen und energiesparenden Entsalzungsmethoden. Zu den potentiellen Lösungen zählen osmotische Entsalzungsverfahren wie die kapazitive Deionisierung und deren fortschrittliche Variante, die kapazitive Flußelektrodendeionisierung. Flußelektroden sind strömende Elektroden, bestehend aus in der Flüssigkeit suspendierten leitfähigen Partikeln. Sind diese Partikel elektrisch aufgeladen, verhalten sie sich wie ein Kondensator, gewinnen also kapazitive Eigenschaften.

Bei der Flußelektrodendeionisierung werden fließfähige Kohlenstoffelektroden mit Ionenaustauschermembranen kombiniert. Der Einsatz der Membranen ermöglicht eine kontinuierliche und effiziente Entsalzung. Membranen verursachen einen selektiven Transport geladener Ionen, wobei entgegengesetzt geladene Ionen (Gegenionen) durchgelassen und gleichgeladene Ionen (Koionen) zurückgehalten werden. Dieser selektive Ionentransport ist entscheidend für die gezielte Entfernung von Salzen aus dem Zulaufstrom.

Fortschritte in der Forschung haben zu Verbesserungen von Membraneigenschaften, der damit verbunden Ionenselektivität und dem Design galvanischer Zellen geführt. Dadurch konnten praxisnahe Anwendungen entwickelt werden. So wurde die Flußelektrodendeionisierung z.B. im Jahr 2023 in einer Pilotanlage auf industrielle Umsetzbarkeit getestet.

Die Optimierung der Leistung hängt stark vom Verständnis darüber ab, wie sich der Ionentransport mit unterschiedlichen Membrananordnungen verhält. Ionenaustauschmembranen spielen dabei eine zentrale Rolle bei der Steuerung des Ionentransports. Bestimmte Membrananodnungen, wie z.B. einem Membransandwich bestehend aus Anionen- und Kationenaustauschmembranen konnten die Entsalzung deutlich beschleunigen. Zwar wurden vielversprechende Ergebnisse mit einfachen Salzlösungen wie NaCl und KCl erzielt. Ein Mix aus verschärfenden Ionen, wie er natürlicherweise im Meerwasser vorkommt, ist jedoch deutlich schwieriger.

Forscher der RWTH Aachen haben kürzlich untersucht, wie unterschiedliche Anordnungen von Ionenaustauschmembranen bei der Flußelektrodendeionisierung selektive Entfernung von Ionen aus komplexen Salzgemischen – etwa mit Carbonat- und Sulfationen – beeinflussen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Desalination veröffentlicht. Zwei Deionisierungsmodule mit unterschiedlicher Membrananordnung wurden analysiert. Getestet wurden Membranschichten mit der der Kationenmembran innen und der Anionenmembran außen – und umgekehrt. Beide Konfigurationen erreichten ähnliche Entsalzungleistung. Die Zeit bis zum Erreichen des stabilen Zustands variierte jedoch je nach Anordnung und Pufferkapazität der Flußelektrode.

Die getesteten Anionenaustauschmembranen zeigten eine stärkere Affinität zu Sulfationen als zu Karbonationen, was die Stabilisierung in einigen Versuchen verzögerte. Strategien wie die Reduzierung des Elektrodenvolumens und die gezielte Lenkung bestimmter Ionen entlang des Elektrodenpfads halfen, den stationären Zustand schneller zu erreichen. Diese Ergebnisse unterstreichen erneut die Bedeutung von Membranselektivität, Elektrodeneigenschaften und Systemdesign für die Leistungssteigerung der Flußelektrodendeionisierung, insbesondere bei gemischt-ionischen Wasserquellen.

Die Effektivität der Flußelektrodendeionisierung hängt nicht nur vom Erreichen des stationären Entsalzungszustands ab, sondern auch davon, wie gut Ionenselektivität und Systemanpassung gehandhabt werden. Bei Salzwasser mit mehreren Kationen und Anionen reicht die Membrananordnung allein nicht aus, um die gewünschten Entsalzungsergebnisse zu erzielen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen Strategien wie Membranbeschichtungen oder die Modifikation der Elektrodeneigenschaften in Betracht gezogen werden.

Die Forscher gingen in Ihrer Studie auch auf die Methoden zur Auswertung ihres Ansatzes ein. Interessanterweise reicht für die Bewertung der Entsalzungsleistung die Messung der Leitfähigkeit allein nicht aus. Sie gibt zwar die Gesamtsalzkonzentration an, erfaßt aber nicht die Veränderung in der Salz-Zusammensetzung. Daher sind genauere Bewertungsmethoden erforderlich, um spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.

Diese Fortschritte sind entscheidend für die Optimierung der Leistung der Flußelektrodendeionisierung und zur Deckung des wachsenden Bedarfs an effizienten, anpassungsfähigen Wasseraufbereitungstechnologien. Bei Frontis Energy sind wir gespannt auf zukünftige Entwicklungen in der Skalierung dieser richtungsweisenden Technologie.

Mankertz, Theis, Linnartz, Wessling, 2025, Membrane arrangement influences time to steady state in FCDI with multi-ionic salt solutions, Desalination, Volume 613, 118939, DOI: 10.1016/j.desal.2025.118939.

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