Kategorie: Nachhaltige Energie

Alles rund um gruene Energie, wie z.B. Windenergie, Solarenergie, Bioenergie, Wasserkraft und Geothermie.

Veröffentlicht am von

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

Bild: Pixabay

Veröffentlicht am von

Polyelektrolyt-Beschichtung für Ionenaustauschmembranen in der Elektrodialyse

Reverse electrodialysis drinking water purification

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

Bild: Getty Images

Veröffentlicht am von

Sulfonierter Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen in Nafion™-basierte Protonenaustauschmembranen

Toyota fuel cell concept car

Der Bedarf an nachhaltiger Energie hat die Entwicklung elektrochemischer System zur Energieumwandlung beschleunigt. Dazu zählen insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (englisch: proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs). PEMFCs bieten zahlreiche Vorteile, einschließlich hohe Energiedichte, niedrige Betriebstemperaturen, schnelle Anlaufzeiten und kompakte Bauweise. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für mobile sowie dezentrale Energieanwendungen. Die Entwicklung hochleistungsfähiger Protonenaustauschmembranen ist entscheidend für den Fortschritt der Brennstoffzellentechnologie, insbesondere unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Das zentrale Bauteil, die Protonenaustauschmembran, ist charakterisiert durch eine hohe Protonenleitfähigkeit, hervorragende chemische und physikalische Stabilität, niedrige Gasdurchlässigkeit und eine angemessene Wasseraufnahme unter einer Vielzahl von Bedingungen gewährleisten muß. Nafion™, ein Perfluorosulfonsäure (PFSA)-Ionomer, gilt als Goldstandard für Protonenaustauschmembranen aufgrund seiner ausgezeichneten Protonenleitfähigkeit und chemischen Beständigkeit.

Allerdings verschlechtert sich dessen Leistung bei erhöhten Temperaturen (> 80 °C) und niedriger relativer Luftfeuchtigkeit aufgrund übermäßigen Wasserverlusts erheblich. Diese Einschränkungen schränken seine Anwendbarkeit in Hochtemperatur-Brennstoffzellen der nächsten Generation ein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, PFSA-basierte Kompositmembranen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden anorganischen oder organischen Füllstoffen wie Silica, Metalloxide und kohlenstoffbasierten Nanomaterialien verwendet. Diese Zusätze sollten die Wasserretention, mechanische Festigkeit und thermische Stabilität verbessern.

Italienische Forscher der Universität Kalabrien haben Nafion™-Membranen entwickelt, die mit sulfoniertem Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen verstärkt waren, um Probleme mit der Wasserretention und dem Protonentransport anzugehen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift Materials for Renewable and Sustainable Energy. Die hybriden Füllstoffe erzeugten einen synergistischen Effekt. Ton verbesserte die hydrophilen Eigenschaften, während Kohlenstoffnanoröhrchen die strukturelle Integrität und Leitfähigkeit erhöhten.

In Tests mit Wasserstoffbrennstoffzellen bei 120 °C und 20% relativer Luftfeuchtigkeit – Bedingungen, die normale PFSA-Membranen typischerweise stark beeinträchtigen – erreichte die neue Zusammensetzung eine Spitzenleistung von 443 mW / cm². Das war deas vierfache von Nafion™-Membranen. Dieser Durchbruch deutete darauf hin, daß durch die Integration von Nanofüllstoffen die Haltbarkeit und Effizienz von Protonenaustauschmembranen noch weitere Leistungssteigerungen erzielt werden können. Gleichzeitig ebneten die Versuche den Weg für robuste Brennstoffzellen im Automobil- und stationären Energiesektor, wo solche Leistungssteigerungen besonders nötig sind.

Die Einbindung von sulfoniertem Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen verbesserte nicht nur die Ionenaustauschkapazität und die hydrolytische Stabilität, sondern modulierte auch kritisch die Wasserdynamik. Das Ergebnis war überlegenen Wasserretention und dauerhafte Protonendiffusion, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Die deutlich höhere Protonenleitfähigkeit unter Bedingungen mit niedrier Luftfeuchtigkeit war ein entscheidenden Faktor für den Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen in der vorgestellten Studie.

Diese Studie hat erfolgreich das signifikante Potenzial von sulfonierten Ton und Kohlenstoffnanoröhren zur Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit von Nafion-basierten Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellenanwendungen demonstriert. Die Einbindung der Zusatzstoffe erhöhte auch die strukturelle Integrität der Membran. Eine dynamische mechanische Analyse bewies einen signifikanten Verstärkungseffekt durch die Einbindung von der Zusatzstoffe. Die konsistente Erhöhung des Speicher-Modulus‘ und einer Verschiebung der Glasübergangstemperatur zu höheren Temperaturen. Für die verbesserte Membran wurde die Glasübergangstemperatur von von 120 °C für herkömmliches Nafion auf ca. 150 °C erhöht.

Zudem wies die Nanokompositmembran bei niedriger Luftfeuchtigkeit wies eine bemerkenswerte Leitfähigkeit von 42,3 mS / cm auf. Dies stellte eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu reinem Nafion™ dar.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Nanohybridmembran konsequent wesentliche Beschränkungen konventioneller PFSA-Membranen überwand. Herauszuheben sind insbesondere die Anfälligkeit für Austrocknung und mechanische Zersetzung unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Bei Frontis Energy sind wir überzeugt, daß das synergetische Zusammenspiel verbesserter Protonentransportwege, verbesserter Wasserretention und überlegener thermomechanischer Stabilität diese Kompositmembran zu einem vielversprechenden Kandidaten für robuste und effiziente Brennstoffzellen der nächsten Generation macht.

Nicotera, et al. 2025 Enhanced electrochemical performance and thermomechanical stability of nafion/sulfonated clay-carbon nanotube nanocomposite membranes for high-performance fuel cells under challenging conditions. Materials for Renewable and Sustainable Energy 14, 48, DOI: 10.1007/s40243-025-00325-7.

Bild: Pixabay

Veröffentlicht am von

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

Veröffentlicht am von

Elektrolytische Wasserspaltung für Bindemittel in Baustoffen

DOI: 10.13140/RG.2.2.23827.54564

Die Ozeane sind reich an Magnesiumressourcen, die für die Baustoffproduktion genutzt werden könnten. Sorelzement (Magnesitzement) zum Beispiel kann im Innenausbau von Gebäuden anstelle von Estrich eingesetzt werden. Um Magnesium aus Meerwasser zu gewinnen, müssten die Magnesiumoxid (Magnesia) zuerst aus dem Meerwasser mithilfe des den traditionellen Kalzinierungsprozess sehr energieaufwendig abgeschieden werden. Die innovative Methode der elektrolytischen Wasserspaltung kann das umgehen und dadurch viel CO2 einsparen.

Dabei kann Magnesiumhydroxid (Mg[OH]₂) unter alkalischen Bedingungen ausgefällt werden. Die bisherige Forschung hat zwar elektrochemische Methoden zur Hydroxid-Erzeugung untersucht. Doch nur wenige haben die effiziente Alkali-Synthese mit direkter Fällung der Magnesiavorstufe Magnesiumhydroxid mit kohlenstoffarmen Zement kombiniert. Diese Wissenslücke für die Optimierung der Energie- und Materialeffizienz wurde nun geschlossen.

Eine neue Studie, die von einem Forschungsteam der Columbia University geführt wurde, bediente sich der elektrochemischen Wasserspaltung bei Niedrigspannung (1,6–2,0 V). Durch die Wasserstoffproduktion wurden Hydroxidionen (OH⁻) aus Meerwasser erzeugt. Dadurch kam es zu einer direkten Ausfällung von Magnesiumhydroxid, der Vorstufe von Magnesia. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Desalination veröffentlicht. Der neue Ansatz reduziert die Energieintensität um 52–78%. Normalerweise liegt der Energieverbrauch pro Tonne MgO bei 0,56 MWh. Durch die neue Methode können Kohlenstoffemissionen pro Tonne Magnesia in Höhe bis zu 0,41 Tonnen CO₂ eingespart werden.

Um die Produktionseffizienz weiter zu steigern, wurde die Nanostruktur von Magnesiumhydroxid mithilfe von Harnstoff als Vernetzer optimiert. Dadurch wurden die Reaktivität, die Porosität und spezifische Oberfläche verbessert. Bei einer optimalen Dosierung von 0,2 mol/L Harnstoff zeigten die Magnesiapartikel gute Bindungseigenschaften. Die Autoren führten dies auf die Verschlußwirkung von rosettenförmigem Dypingit und stabförmigem Nesquehonit zurück. Durch die Bildung dieser Mineralien wird nach Ansicht der Autoren der CO2-Einbau und dadurch auch die Karbonathärtung erleichtert.

Fortschritte in symmetrischen elektrochemischen Systemen, wie die die hier gezeigten, haben eine bis zu 78%ige Reduktion des Energiebedarfs für Herstellung von Laugen zur Folge. Damit haben solche Methoden das Potential, sich als tragfähige Alternative zu traditionellen Verfahren zu etablieren. Die weitere Optimierung von Elektroden und Elektrolyt stellt einen wegweisenden Ansatz für die kohlenstoffneutrale Produktion von Baustoffen und Laugen dar. Zudem zeigt diese Methode, daß die Herstellung von Baustoffen einen effizienten Einbau von CO2 ermöglicht. Dadurch kann eine dauerhafte Entfernung des Treibhausgases aus der Atmosphäre stattfinden.

Die industrielle Skalierung der elektrochemischen Laugenerzeugung kann Betriebskosten senken, Umweltauswirkungen minimieren und die Eigenschaften kohlenstoffarmer Baustoffe verbessern. Die ökonomischen Aspekte dieses Herstellungsprozesses sind besonders hervorzuheben, da der Bedarf an effizienten  Bindematerialien weiter wächst.

Bei Frontis Energy widmen wir uns der Förderung nachhaltiger und zugleich wirtschaftlicher Energielösungen. Forschung wie die hier vorgestellte liefert wichtige Erkenntnisse und Innovationen zur Unterstützung solcher nachhaltiger Lösungen.

Chu. Yang, Unluer, 2025, Energy-efficient calcination-free Mg cement recovered from desalination brine, Desalination, Volume 610, 118928, 10.1016/j.desal.2025.118928.

Bild: Pixabay

Veröffentlicht am von

Von Abwärme zu hochreinem Wasser: Revolutioniert eine neue Technologie erneuerbaren Wasserstoff?

DOI: 10.13140/RG.2.2.36620.17281

Wasserstoff (H₂), hergestellt mit erneuerbarer Energie, hat sich als mögliche Alternative zu fossilen Brennstoffen herauskristallisiert. Dieses vielseitige Molekül kann als Energieträger, effiziente Speicherlösung und nachhaltiger Rohstoff für den Transport, die chemische Verarbeitung und Energiesysteme weltweit dienen.

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen verursacht Wasserstoff bei der Nutzung keine schädlichen Emissionen. Er kann mittels Elektrolyseuren, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden, sowie mit reichlich verfügbarem Wasser als Ausgangsstoff erzeugt werden. Das macht ihn zu einer erneuerbaren und nachhaltigen Energiequelle, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffreserven reduziert und den Klimawandel bekämpft. Folglich ist die Wasserstoffproduktion zu einer wichtigen Priorität zahlreicher Industriestaaten geworden.

Allerdings muss das in Elektrolyseuren verwendete Wasser ultrarein sein, um die Elektroden der Elektrolyseure vor Verunreinigung zu schützen und die Oxidation von Chloriden zu Chlor zu vermeiden. Reichlich vorhandenes Meerwasser bringt mehrere Herausforderungen mit sich, wenn es direkt in Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion eingespeist wird. Dadurch wird hochreines Wasser zu einer teuren Notwendigkeit. Hochreines Wasser wird in einer Reihe von Schritten hergestellt, darunter die Vorbehandlung zur Entfernung von Feststoffen, Entsalzung und die Eliminierung von kleineren Partikeln. Reinigungstechniken wie Ionenaustausch, Entgasung und UV-Behandlung werden zur Reinigung verwendet. Unter diesen Prozessen ist die Entsalzung besonders entscheidend für die Entfernung der meisten Verunreinigungen.

Umkehrosmose, insbesondere Meerwasserumkehrosmose, ist eine weit verbreitete Entsalzungstechnologie, hat jedoch erhebliche Nachteile, wie z. B. den Betrieb unter hohem Druck (hoher Energieverbrauch), intensive Vorbehandlung und die Erzeugung konzentrierter Sole, die sich bei der Einleitung ins Meer auf sein Ökosysteme schädlich auswirkt. Membrandestillation hat als Alternative zur Herstellung von hochwertigem Wasser und seiner Rückgewinnung Interesse erregt. Sie arbeitet bei niedrigeren Temperaturen und kann Abwärme nutzen.

Membrandestillation ist ein thermischer Trennungsprozeß, bei dem ein Dampfdruckunterschied über eine hydrophobe Membran Flüssigkeitspartikel zur Phasenumwandlung veranlaßt, so daß diese die Membran als Gas passieren. Der Betrieb bei Umgebungsdruck und die Nutzung von Niedertemperaturwärmequellen (<90 °C) bieten erhebliche Vorteile. Die Forschung zur Membrandestillation als praktikable Alternative zur Umkehrosmose für die Produktion von hochreinem Wasser blieb jedoch weitgehend auf Bereiche wie Moduldesign und techno-ökonomischer Analyse begrenzt.

Eine Gruppe von Forschern am Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) in Freiburg, Deutschland, hat das Potential der Membrandestillation als kosteneffiziente und energiesparende Alternative zur Umkehrosmose bei der Herstellung von hochreinem Wasser für Protonenaustausch-(PEM)-Elektrolyseure erforscht. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachmagazin Desalination Journal veröffentlicht. Sie untersuchten die Membrandestillation als mögliche Alternative zur Umkehrosmose für die Herstellung von hochreinem Wasser. Also besonderes eleganten Ansatz benutzten die Forscher die Abwärme eines 5 MW PEM-Elektrolyseurs fuer ihr Membrandestillationssystem. So verwandelten sie einen sonst typischen Effizienzverlust in einen ökonomischen Vorteil. Ihre Ergebnisse sind beeindruckend: Membrandestillation produziert nicht nur außergewöhnlich reines Destillat (<3 μS/cm), sondern tut dies zu Kosten zwischen €2,33 und €2,85 pro Tonne Destillat im Vergleich zu den üblichen Kosten von €2,80 bis €5,51 bei Umkehrosmose. Mit Membrandestillation könnte die Meerwasserentsalzung um 50% oder mehr kostengünstiger werden.

Wirtschaftliche Analysen zeigen, daß die Kosteneffizienz der Membrandestillation durch ihren niedrigen Strombedarf und ein optimiertes Moduldesign mit kurzen Kanälen verbessert wird. Die beeindruckende Energieeffizienz wird durch die Nutzung von Restwärmeenergie ermöglicht. Das macht Membrandestillation zu einer äußerst vielseitigen und umweltfreundlichen Lösung, die gut für erneuerbare Wasserstoffproduktion geeignet ist.

Die neue Studie positioniert die Membrandestillation nicht nur als Alternative zur Umkehrosmose, sondern auch als intelligenten und nachhaltigen Ansatz zur Herstellung von hochreinem Wasser. Die vorgestellten Ergebnisse bieten einen neuen industriellen Ansatz zur Produktion von hochreinem Wasser neu zu definieren. Durch die neue Veröffentlichung einer effizienten Nutzung von Abwärme und die Bereitstellung einer kostengünstigen Lösung bietet die Studie zahlreichen Branchen einen Weg zur Verringerung der Betriebskosten und fördert gleichzeitig die Nachhaltigkeit. Dies paßt besonders gut zu Sektoren, die nachhaltige Betriebe anstreben, wie z.B. die erneuerbare Wasserstoffproduktion und andere energieintensive Anwendungen. Darüber hinaus könnte die Einführung der Membrandestillation Innovationen bei der Systemgestaltung und -integration fördern und die Industrie dazu anregen, Prozesse zu optimieren und die Abhängigkeit von traditionellen, energieintensiven Methoden zu verringern. Dieser Wandel kann zu umfassenderen Nachhaltigkeitszielen beitragen und die wirtschaftliche Umsetzbarkeit von Initiativen im Bereich der erneuerbaren Energien verbessern.

Bei Frontis Energy setzen wir uns dafür ein, nachhaltige und wirtschaftliche Energielösungen voranzutreiben. Innovative Technologien wie die Membrandestillation helfen, uns einer nachhaltigen Zukunft näherbringen.

Schwantes et al. 2025 Thermally driven ultrapure water production for water electrolysis – A techno-economic analysis of membrane distillation, Desalination, Volume 608, 118848, DOI: 10.1016/j.desal.2025.118848.

Bild: Pixabay

Veröffentlicht am von

Das Potenzial leitfähiger Polymere für nachhaltige Wasseraufbereitung und Energielösungen freisetzen

DOI: 10.13140/RG.2.2.13132.07045

Kohlenstoffbasierte Materialien haben ein breites Anwendungsspektrum, wie etwa Energiespeicherung und -umwandlung, Elektronik, Nanotechnologie, Wasserreinigung und Katalyse. Sie bestehen aus einem Element, das überall verfügbar ist.

Die elektrochemischen Eigenschaften kohlenstoffbasierter Elektroden können durch die Verwendung leitfähiger Polymere verbessert werden. Kohletuch, das aus Kohlenstoff-Mikrofasern gewebt wird, ist ein vielversprechende kohlenstoffbasiertes Elektrodenmaterial. Es ist als langlebig und kosteneffizient und gut  für elektrochemische Reaktionen geeignet, die z.B. CO2 umwandeln, Schadstoffe abbauen und die Wasserqualität verbessern. Solche Elektroden, die für ihre mechanische Flexibilität, Stabilität und Kosteneffizienz bekannt sind, werden in Prozessen wie elektrochemischer Oxidation, mikrobiellen Brennstoffzellen und anderen fortschrittlichen Abwasserbehandlungstechnologien eingesetzt.

Unmodifizierter Kohletuchelektroden sind durch einige Einschränkungen gekennzeichnet, wie z.B. geringe spezifische Kapazität und eingeschränkte Benetzbarkeit durch Wasser aufgrund ihrer natürlichen Hydrophobie. Daher wird intesiv an möglichen Verbesserungen dieser modernen Elektroden geforscht. Eine bessere Benetzbarkeit trägt beispielsweise entscheidend dazu bei, die effektive Elektrodenoberfläche in wässrigen Flüssigkeiten zu erhöhen und dadurch die Interaktion mit Schadstoffen zu verbessern. Die Leistung von Kohletuchelektroden zu verbessern hilft also, kürzere Reaktionszeiten zu erreichen und so die Gesamtleistung zu verbessern.

Eine Forschungsgruppe der San Diego State University widmete sich nun der Aufgabe, diese Einschränkungen zu beheben. Ihr Ansatz bestand darin, leitfähige Polymerfilme auf die Kohlenstoffasern zu bringen. Dies erreichten sie mithilfe der Mehode oxidative chemische Dampfabscheidung (oCVD). Sie veröffentlichten kürzlich ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Material Interfaces. Mit Antimonpentachlorid (SbCl5) als Oxidationsmittel entwickelten sie eine hochgradig einheitliche Beschichtung bestehend us dem Polymer PEDOT (Poly[3,4-ethylendioxythiophen]) auf den dreidimensional angeordneten  porösen Kohlefasern. Die oCVD-Technik gewährleistetete eine gleichmäßige Beschichtung und bewahrte gleichzeitig die geometrischen und funktionellen Eigenschaften des Kohletuhs. Die Methode ist daher ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung solcher Elektroden.

Die PEDOT-beschichteten Kohletuchelektroden erreichten eine deutliche Verbesserung der spezifischen Kapazität und Pseudokapazität im Vergleich zu unbeschichtetem Kohlenstoffgewebe. Abhängig von der Abscheidetemperatur zeigte die PEDOT-beschichtete Elektrode eine 1,5- bis 2,3-fache Steigerung der spezifischen Kapazität. Zudem konnte eine Temperaturabhängigkeit beim oCVD-Verfahren gezeigt werden. Die Elektrode, die bei einer Abscheidetemperatur von 80 °C hergestellt wurde, wies die höchste spezifische Kapazität und die beste elektrochemische Leistung auf. Durch die Anpassung der Abscheidetemperatur zur Optimierung der Leistung können Kohletuchelektroden an spezifische Anforderungen wie z.B. bei der Abwasserbehandlung angepasst werden.

Die Untersuchung zeigt die Wirksamkeit der oCVD-Methode zur Verbesserung der Eigenschagften von Kohletuchelektroden. Dadurch ist eine Erweiterung des Anwendungsspektrums z.B. bei der Abwasserbehandlung und bei elektrochemischen Energiespeicherung möglich. Darüber hinaus zeigten die Forscher, daß PEDOT-beschichtetes Kohletuch in Superkondensatoren zum Einsatz kommen können, da gerade bei dieser Anwendung Flexibilität und hohe Kapazität entscheidend sind. Die Studie ist nicht nur bedeutende Fortschritte im Materialdesign, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur Optimierung der Elektrodenleistung für unterschiedliche Anwendungen.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse das wachsende Potential fortschrittlicher Elektrodentechnologien zur Bewältigung industrieller Herausforderungen. Durch die Verbesserung der Funktionalität kohlenstoffbasierter Elektroden mithilfe neuartiger Materialbeschichtungen können effizientere und maßgeschneiderte Lösungen sowohl für die Abwasserbehandlung als auch für die Energiespeicherung erreicht werden. Die Fähigkeit, die Eigenschaften von Elektroden an spezifische Anforderungen anzupassen, bietet einen Weg zur Entwicklung hocheffizienter und kostengünstiger Technologien, die ein Wendepunkt für verschiedene Sektoren sein könnten, insbesondere dann wenn Nachhaltigkeit und Ressourcenmanagement eine große Rolle spielen. Da sich solche Innovationen weiterentwickelen werden, könnten sie die betriebliche Effizienz und die Umweltauswirkungen in den entsprechenden Industriesektoren erheblich verbessern, wie z.B. in der Abwasserbehandlung die Elektrokoagulation, Elektrooxidation oder Elektroreduktion.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß Verbesserungen und Anpassungen dazu beitragen können, Elektroden zu entwerfen, die auf spezifische Schadstoffe oder Arten von Abwasser abgestimmt sind.

Heydari Gharahcheshmeh and Chowdhury, 2024, Enhancing Capacitance of Carbon Cloth Electrodes via Highly Conformal PEDOT Coating Fabricated by the OCVD Method Utilizing SbCl5 Oxidant, Advanced Materials Interfaces, 11, 2400118. DOI: 10.1002/admi.202400118.

Bild: Pixabay

Veröffentlicht am von

Flüssigbrennstoff aus bio-elektrischen Reaktoren

Bei Frontis Energy haben wir viel darüber nachgedacht, wie man CO2 wiederverwerten kann. Während hochwertige Produkte wie Polymere für medizinische Anwendungen rentabler sind, ist die Nachfrage nach solchen Produkten zu gering, um CO2 in großen Mengen wiederzuverwertten. Das ist aber nötig, um die CO2-Konsentration unserer Atmosphäre auf ein vorindustrielles Niveau zu bringen. Biokraftstoffe, zum Beispiel aus Biomasse, wurden seit langem als Lösung vorgeschlagen. Leider benötigt Biomasse sie zu viel Ackerland. Zudem ist die zugrundeliegende Biochemie zu komplex, um sie in Ihrer Gesamtheit zu verstehen und so effektive Lösungen zu implementieren. Daher schlagen wir einen anderen Weg vor, um das Ziel der Dekarbonisierung unseres Planeten schnell zu erreichen. Das vorgeschlagene Verfahren beginnt mit einem gewünschten Zielkraftstoff und schlägt eine mikrobielle Vergesellschaftung vor, um diesen Kraftstoff herzustellen. In einem zweiten Schritt wird das mikrobielle Konsortium in einem bioelektrischen Reaktor (BER) untersucht.

Mögliche Biosynthesewege zur elektrosynthetischen Kraftstoffgewinnung. CO2 kann für die Herstellung von Flüssigbrennstoff auf mehreren Wegen verwendet werden. Das Endprodukt, langkettige Alkohole, kann entweder direkt als Brennstoff verwendet oder zu Kohlenwasserstoffen reduziert werden. Es werden Beispiele für Bioelektrokraftstoff-Pfade gezeigt, bei denen CO2 und Strom als Ausgangsmaterial verwendet werde. Methan, Acetat oder Butanol sind die Endprodukte. Nachfolgende Verfahren sind 1, aerobe Methanoxidation, 2, direkte Verwendung von Methan, 3 heterotrophe Phototrophen, 4, Aceton-Butanol-Gärung, 5, Biomassegewinnung, 6, Butanol als direktes Endprodukt, 7, weitere Vergärung durch Hefen zu Fuselalkoholen

Unser heutiges atmosphärische CO2-Ungleichgewicht ist die direkte Folge der Verbrennung fossiler Kohlenstoffe. Diese Realität erfordert schnelle und pragmatische Lösungen, um einen weitere CO2-Anstieg zu verhindern. Die direkte Abscheidung von CO2 aus der Luft ist schon bald rentabel. Dadurch wird die Nutzung von Ackerland für den Anbau von Treibstoff verhindert. Die Herstellung von Kraftstoff für Verbrennungsmotoren mit CO2 also Ausgangsmaterial ist kurzfristig die beste Zwischenlösung, da sich dieser Kraftstoff nahtlos in die vorhandene städtische Infrastruktur integriert. Biokraftstoffe wurden in den letzten Jahren intensiv erforscht, insbesondere auf dem neuen Gebiet der synthetischen Biologie. So verführerisch die Anwendung gentechnisch veränderter Organismen (GVO) zu sein scheint, so sind doch traditionell gezüchtete mikrobielle Stämme bereits vorhanden und somit sofort verfügbar. Unter Vermeidung von GVO, wird CO2 bereits heute in BER zur Herstellung von C1-Kraftstoffen wie Methan verwendet. BER können auch zur Herstellung von Kraftstoffvorläufern wie Ameisensäure oder Synthesegas, sowie C1+ -Verbindungen wie Acetat, 2-Oxybutyrat, Butyrat, Ethanol und Butanol eingesetzt werden. Gleichzeitig lassen sich BER gut in die städtische Infrastruktur integrieren, ohne daß kostbares Ackerland benötigt wird. Mit Ausnahme von Methan ist jedoch keiner der vorgenannten bioelektrischen Kraftstoffen (BEKS) in reiner Form leicht brennbar. Während Elektromethan eine im Handel erhältliche Alternative zu fossilem Erdgas ist, ist seine volumetrische Energiedichte von 40-80 MJ/m3 niedriger als die von Benzin mit 35-45 GJ/m3. Abgesehen davon, wird Methan als Kraftstoff von den meisten Automobilnutzern nicht gekauft. Um flüssigen Brennstoff herzustellen, müssen Kohlenstoffketten mit Alkoholen oder besser Kohlenwasserstoffen als Endprodukten verlängert werden. Zu diesem Zweck ist Synthesegas (CO + H2) eine theoretische Option und kann durch die Fischer-Tropsch-Synthese gewonnen werden. Tatsächlich sind Synthesegasvorläufer aber entweder fossile Brennstoffe (z. B. Kohle, Erdgas, Methanol) oder Biomasse. Während fossile Kraftstoffe offensichtlich nicht CO2-neutral sind, benötigt man zur Herstellung von Biomasse Ackerland. Die direkte Umwandlung von CO2 und elektrolytischen Wasserstoff in C1+ -Kraftstoffe wird wiederum durch elektroaktive Mikroben im Dunkeln katalysiert (siehe Titelbild). Dadurch wird die Konkurrenz zwischen Nahrungsmittelanbau und Kraftstoffpflanzen vermieden. Leider wurde nur bislang wenig anwendbares zu elektroaktiver Mikroben erforscht. Im Gegensatz dazu gibt es eine Vielzahl von Stoffwechselstudien über traditionelle mikrobielle Kraftstoffproduzenten. Diese Studien schlagen häufig die Verwendung von GVO oder komplexen organischen Substraten als Vorläufer vor. Bei Frontis Energy gehen wir einen anderen weg. Wir ermitteln systematisch Stoffwechselwege für die Produktion von flüssigem BEKS. Der schnellste Ansatz sollte mit einem Screening von metabolischen Datenbanken mit etablierten Methoden der metabolischen Modellierung beginnen, gefolgt von Hochdurchatztestsin BER. Da Wasserstoff das Zwischenprodukt in der Bioelektrosynthese ist, besteht die effizienteste Strategie darin, CO2 und H2 als direkte Vorläufer mit möglichst wenigen Zwischenschritten zu benutzen. Skalierbarkeit und Energieeffizienz, also wirtschaftliche Machbarkeit, sind dabei entscheident.

Zunächst produziert ein elektrotropher Acetogen Acetat, das von heterotrophen Algen im darauffolgenden Schritt verwendet wird.

Das größte Problem bei der die BEKS-Produktion ist das mangelnde Wissen über Wege, die CO2 und elektrolytisches H2 verwenden. Diese Lücke besteht trotz umfangreicher Stoffwechseldatenbanken wie KEGG und KBase, wodurch die Auswahl geeigneter BEKS-Stämme einem Stochern im Nebel gleichkommt. Trotz der hohen Komplexität wurden Stoffwechselmodelle verwendet, um Wege zur Kraftstoffproduktion in Hefen und verschiedenen Prokaryoten aufzuzeigen. Trotz ihrer Unzulänglichkeiten wurden Stoffwechelatenbanken breits eingesetzt, um Artwechselwirkungen zu modellieren, z.B. mit ModelSEED / KBase (http://modelseed.org/) in einer heterotrophen Algenvergesellschaftung, mit RAVEN / KEGG oder mit COBRA. Ein erster systematischer Versuch für acetogene BEKS-Kulturen, bewies die die Verwendbarkeit von KBase für BER. Diese Forschung war eine Genomstudie der vorhandenen BEKS-Konsortien. Dieselbe Software kann auch in umgekehrt eingesetzt werden, beginnend mit dem gewünschten Brennstoff. Im Ergebnis werden dann die erforderlichen Organismen benannt. Wir beschrieben nun einige BEKS-Kulturen.

Mögliche Kombinationen für die BEKS-Produktion mit Clostridien, 3, oder heterotrophe Algen, 7. Die Weiterverarbeitung erfolt durch Hefen.

Hefen gehören zu den Mikroorganismen mit dem größten Potenzial für die Produktion von flüssigem Biokraftstoff. Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist das prominenteste Beispiel. Hefen sind zwar für die Ethanolfermentation bekannt, produzieren aber auch Fuselöle wie Butan, Phenyl- und Amylderivate, Aldehyde und Alkohole. Im Gegensatz zu Ethanol, das durch Zuckerfermentation gebildet wird, wird Fuselöl im Aminosäurestoffwechsel synthetisiert, gefolgt von Aldehydreduktion. Es wurden viele Enzyme identifiziert, die an der Reduktion von Aldehyden beteiligt sind, wobei Alkoholdehydrogenasen am häufigsten beobachtet werden. Die entsprechenden Reduktionsreaktionen erfordern reduziertes NADH⁠, es ist jedoch nicht bekannt, ob an Kathoden gebildetes H2 daran beteiligt sein kann.
Clostridien, beispielsweise Clostridium acetobutylicum und C. carboxidivorans, können Alkohole wie Butanol, Isopropanol, Hexanol und Ketone wie Aceton aus komplexen Substraten (Stärke, Molke, Cellulose usw.) oder aus Synthesegas herstellen. Der Clostridienstoffwechsel wurde vor einiger Zeit aufgeklärt und unterscheidet sich von Hefe. Er erfordert nicht zwangsläufig komplexe Substrate für die NAD+-Reduktion, denn es wurde gezeigt, daß Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kathoden Elektronen für die Alkoholproduktion abgeben können. CO2 und Wasserstoff wurden in einem GMO-Clostridium verwendet, um hohe Titer von Isobutanol herzustellen. Typische Vertreter für die Acetatproduktion aus CO2 und H2 sind C. ljungdahlii, C. aceticum und Butyribacterium methylotrophicum. Sporomusa sphaeroides produziert Acetat in BES. Clostridien dominierten auch in Mischkulturen in BER, die CO2 in Butyrat umwandelten. Sie sind daher vorrangige Ziele für eine kostengünstige Produktion von Biokraftstoffen. In Clostridien werden Alkohole über Acetyl-CoA synthetisiert. Diese Reaktion ist reversibel, wodurch Acetat als Substrat für die Biokraftstoffproduktion mit extrazellulärer Energieversorgung dienen kann. In diesem Fall wird die ATP-Synthese durch Elektronenbifurkation aus der Ethanoloxidation oder durch Atmung und Wasserstoffoxidation betrieben. Ob die Elektronenbifurkation oder Atmung mit Alkoholen oder der Ketonsynthese verknüpft sind ist nicht bekannt.
Phototrophe wie Botryococcus produzieren auch C1+ Biokraftstoffe. Sie synthetisieren eine Reihe verschiedener Kohlenwasserstoffe, darunter hochwertige Alkane und Alkene sowie Terpene. Hohe Titer wurden jedoch nur mithilfe von GVOs produziert, was in vielen Ländern aus rechtlichen Gründen ökonomisch schwer möglich ist. Darüber hinaus erfordert die Dehydratisierung / Deformylierung vom Aldehyd zum Alkan oder Alken molekularen Sauerstoff, was deren Produktion in BER unmoeglich macht, da Saurstoff bevorzugt die Kathode oxidiert. Der Olefinweg von Synechococcus hängt auch von molekularem Sauerstoff ab, wobei das Cytochrom P450 an der Fettsäuredecarboxylierung beteiligt ist. Die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff beeinflußt die BES-Leistung auch durch den sofortigen Produktabbau. Im Gegensatz dazu zeigen unsere eigenen Vorversuche (siehe Titelfoto) und ein Korrosionsexperiment, daß Algen mit einer Kathode als Elektronendonor im Dunkeln leben können, selbst wenn geringe Mengen Sauerstoff vorhanden waren. Die an der Herstellung einiger Algenkraftstoffe beteiligten Enzyme sind zwar bekannt (wie die Deformylierung von Olefinen und Aldehyden), es ist jedoch nicht bekannt, ob diese Wege durch Wasserstoffnutzung beschritten werden können (möglicherweise über Ferredoxine). Ein solcher Zusammenhang wäre ein vielversprechender Hinweis für Kohlenwasserstoff-erzeugenden Cyanobakterien, die an Kathoden wachsen können. Unsere zukünftige Forschungen wird zeigen, ob wir hier richtig liegen.
Bei Frontis Energy glauben wir, daß eine Reihe anderer Mikroorganismen Potenzial zur BEKS-Produktion haben. Um nicht GVO zurückgreifen zu müssen, müssen BER-kompatible Mischkulturen über rechnergestützte Stoffwechselmodelle aus vorhandenen Datenbanken identifiziert werden. Mögliche Intermediate sind z.Z. unbekannt. Der Kenntnis ist aber Voraussetzung für profitable BEKS-Reaktoren.

Veröffentlicht am von

Wechselnder Elektrolytfluß an der Kathode verringert die Anlaufzeit bei der mikrobiellen Elektroynthese

Die mikrobielle Elektrolyse ist eine Technologie, die lebende Mikroorganismen als Elektrokatalysatoren in Elektrolysezellen verwendet. Die Technologie kann zur Abwasserbehandlung verwendet werden. In einem früheren Beitrag schlugen wir vor, mikrobielle Elektrolyse zur dezentralen Abwasserbehandlung und zur Biogasproduktion zu verwenden. Da es sich bei der Technologie um einen Prozeß handelt, der CO2 unter Verwendung von Elektrizität in organische Verbindungen umwandelt, kann er auch zur die CO2-Verwertung eingestzt werden. Neben Methan produzieren solche Elektrolysezellen auch Verbindungen wie Essigsäure, Capronsäure und andere. Der Prozeß wird dann als mikrobielle Elektrosynthese bezeichnet. Capronsäure wird z.B. in Fruchtestern (Capronate), als Bestandteil von Arzneimitteln und zur Synthese von Hexylphenolen verwendet.

Das Hauptproblem bei der mikrobiellen Elektrolyse und der Elektroynthese ist jedoch die lange Anlaufzeit. Die Anlaufzeit ist die Zeit, die erforderlich ist, um ein Biofilm auf der Elektrodenoberfläche zu bilden und die gewünschten Produkte zu produzieren. Sie kann mehreren Wochen oder Monaten dauern. Sie ist abhängig von den Betriebsbedingungen und der Art der Mikroorganismen. Lange Anlaufzeiten begrenzen den industriellen Nutzen der mikrobiellen Elektrosynthese.

Wissenschaftler der Universität Wageningen in den Niederlanden stellten jetzt neue Forschungsergebnisse vor, die eine Verkürzung der Anlaufzeit zeigen. Dabei wurde die Richtung des Katholytflusses durch eine dreidimensionale Elektrode gewechselt, wodurch die Anlaufzeit auf nur zehn Tage verkürzt wurde. Die Forscher stellten die Hypothese auf, daß diese Technik den Stofftransport und die Bildung von Biofilmen verbesserte und somit die CO2-Reduktion und deren Produktsynthese beschleunigt. Letztlich  konnte die Anlaufzeit um 50% im Vergleich zu einer herkömmlichen Durchflusselektroden reduziert werden.

 

Der alternierdende Elektrolytfluß reduzierte auch die Leistungsaufnahme auf 136 kWh pro kg Wasserstoff. Nach 60 Tagen betrug die lokale Wasserstoffkonzentration an der Kathode höchstens 600 μM, was auf einen schnelleren Stoffumsatz und damit auf einen aktiveren Biofilm hindeutet.  Der pH-Wert im Katholyt lag bei 5,8–6,8 und damit im optimalen Bereich elektrosynthtischer Mikroorganismen. Der abwechselnde Katholytfluß bewirkte einen verbesserten Stofftransport, denn so konnte der Wasserstoff besser über die Kathodenschichten verteilt werden. Zudem spekulierten die Forscher, daß der Wechselfluß eine Erfrischung  etwaiger „toter Zonen“ in der Kathodenkammer ermöglichte.

Die Produktion von kurzen und mittelkettigen Fettsäuren war mit der Anwesenheit bestimmter Mikroorganismen verbunden. Diese wurden als Peptococcaceae und Clostridium sensu stricto 12 identifiziert. Auch der methanogene Methanobrevibacter war vorhanden. Methanobrevibacter ist chracteristisch für mikrobieller Elektrolysezellen, wenn höhere Wasserstoffkonzentrationen für die Elektroynthese vorhanden sind.

Die Technik ist jedoch noch nicht ganz ausgereift und so gibt Einschränkungen wie z.B. die Energieeffizienz, der Produktselektivität und die Skalierbarkeit. Solche Einschränkungen sind typisch für Laborexperimente. Wir freuen uns daher schon auf eine industrielle Anwendung dieser Methode.

Veröffentlicht am von

Spurenmetalle beschleunigen die Wasserstoffentwicklungsreaktion von Biokathoden in mikrobiellen Elektrolysezellen

Es ist bekannt, daß mikrobielle Biofilme an Biokathoden die Produktionenraten der Wasserstoffelektrolyse verbessern. Dabei handelt es sich um den Prozeß, der zur Herstellung von Wasserstoffgas aus Wasser durch Strom dient. Die Wasserstoffentwicklung mikrobiellen Elektrolysezellen wird sogar dann beschleunigt, wenn der Biofilm, der die Biokathode besiedelt, abgetötet wurde. Verschiedene Arten von Mikroorganisme, wie z.B. elektrogene (Geobacter sulfurreducens), nicht exoelektrogene (Escherichia coli) Bakterien oder das Wasserstoff-oxidierende methanogene Archeon Methanosarcina barkeri, vollbringen dieses Kunststück, aber Geobacter ist das schnellste. Zellrückstände wie Metalloproteine scheinen die Wasserstoffbildung zu katalysieren. Daher sind lebende Zellen für die Wasserstoffelektrolyse gar nicht notwändig, wodurch Biokathoden eine billige und umweltfreundliche Alternative zu Edelmetallkatalysatoren werden könnten. Während die Autoren des erwähnten Artikels über die Rolle von Metalloproteinen spekulierten, zeigt eine neue Veröffentlichung in Electrochimica Acta durch Forscher der Wageningen University, daß die Verfolgung von Metallen im Wachstumsmedium tatsächlich für die beobachtete Ratenbeschleunigung verantwortlich ist.

Die Autoren verwendeten eine Mischung aus Metallsalzen in einem mikrobiellen Wachstumsmedium, wie z.B. Kobalt-, Kupfer-, Eisen-, Mangan-, Molybdän-, Nickel- und Zinksalz, sowie den Metallchelator Ethylendiaminetetraossigsäure (EDTA). Das Medium war dabei biokompatibel mit neutralem pH-Wert, mesophile Temperatur und Wasser als Elektrolyt.

Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten durch, um die Auswirkung verschiedener Parameter auf die katalytische Aktivität und Stabilität der Spurenelementmischung zu untersuchen. Diese Parameter umfassten die Konzentration der Metallverbindungen, das Vorhandensein oder die Abwesenheit von EDTA, die Art des Elektrodenmaterials und die Art des Elektrolyten. Verschiedene Techniken zur Messung des kathodischen Stroms, die Wasserstoffproduktionsrate, das Überpotential und die Stromdichte der Wasserstoffelektrolyse wurden herangezogen.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Spurenelementmischung den kathodischen Strom und die Effizienz derLadungsübertragung zu Wasserstoff signifikant erhöhte und daß Kupfer und Molybdän die aktivsten Verbindungen in der Mischung waren. Das ist überraschend, da in der vorherigen Veröffentlichung hauptsächlich Kobalt- und Eisenverbindungen auf der Oberfläche der Biokathoden gefunden wurden. Beide Elemente sind auch gute Wasserstoffkatalysatoren, während beispielsweise Molybdänsulfid die Produktionsraten in methanogenen mikrobiellen Elektrolysezellen nicht erhöhte. Wasserstoffelektrolyse ist der elektrochemische Flaschenhals, der die Reaktionrate in methanogenen Elektrolysezellen bestimmt, da es sich beim Wasserstoff um das Zwischenprodukt handelt:

4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O

Die Wissenschaftler zeigten auch, daß das Entfernen von EDTA aus dem Mix die Katalysatorleistung weiter verbesserte, da EDTA als Komplexierungsmittel (Chelator) fungierte, wodurch die Verfügbarkeit von Metallionen and der Elektrodenoberfläche verringert wurde. Es wurde auch darauf hingewiesen, daß Elektroden auf Kohlenstoffbasis besser geeignet waren als Elektroden auf Metallbasis, wahrscheinlich weil sie eine höhere Oberfläche haben. Dies ist ein interessantes Ergebnis, da man der Ansicht sein kann, daß der Mechanismus hinter der besseren Leistung von Kohlenstoffelektroden die mikrobielle Adhesionspräferenz für Kohlenstoff ist. Die Ergebnisse zeigten benfalls, daß die Verwendung eines mikrobiellen Wachstumsmediums als Elektrolyt die Katalysatorleistung im Vergleich zur Verwendung eines Phosphatpuffers nicht signifikant beeinflußte.

Die Autoren kamen zu dem Schluß, daß ihr Ansatz eine einfache, billige und umweltfreundliche Methode ist, um effektive Katalysatoren für die Wasserstoffelektrolyse herzustellen. Sie schlugen vor, daß diese Katalysatoren in biologische Systeme für die Wasserstoffproduktion in bioelektrischen und Fermentationsprozessen integriert werden könnten. In der Tat ist es unvermeidlich, in mikrobiellen Elektrolysezellen keine Spurenmetalle zu verwenden, da sie zur Aufrechterhaltung des mikrobiellen Stoffwechsels unerlässlich sind.

Beide Artikel zeigen, daß Spurenmetalle bei der Wasserstoffelektrolyse eine wichtige Rolle spielen können und daß sie aus biologischen Quellen hergestellt werden können. Sie haben jedoch auch einige Einschränkungen und Herausforderungen, wie die Stabilität, Selektivität und Skalierbarkeit der Katalysatoren. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Leistung und Anwendbarkeit von Katalysatoren auf Trace-Metallbasis für sie zu optimieren.

(Bild: US National Science Foundation)