Kategorie: Nachhaltige Energie

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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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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.

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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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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.

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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.

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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.

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