Wertstoffe aus Abfall: Auf die richtigen Elektrolyte kommt es an
Die Hydroxylgruppen des Glycerins werden von den Bi 3+-Ionen auf der Oberfläche der BiVO4-Photoanode angezogen. Der Elektrolyt spielt eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung dieser Wechselwirkungen. © HZB
Stellt man aus Biomasse Biodiesel her, fällt als Nebenprodukt Glycerin an. Bislang wird dieses Nebenprodukt jedoch wenig genutzt, obwohl es durch Oxidation in photoelektrochemischen Reaktoren (PEC) zu wertvolleren Chemikalien verarbeitet werden könnte. Der Grund dafür: geringe Effizienz und Selektivität. Nun hat ein Team um Dr. Marco Favaro vom Institut für Solare Brennstoffe am HZB den Einfluss der Elektrolyte auf die Effizienz der Glycerin-Oxidations-Reaktion in PEC-Reaktoren untersucht und Ergebnisse erhalten, die dabei helfen, effizientere und umweltfreundlichere Produktionsverfahren zu entwickeln.
Im Jahr 2023 wurden in der Europäischen Union* rund 16 Milliarden Liter Biodiesel und HVO-Diesel aus Mais, Raps oder aus Abfallstoffen der landwirtschaftlichen Produktion hergestellt. Ein Nebenprodukt der Biodieselproduktion ist Glycerin, aus dem sich über eine Glycerin-Oxidations-Reaktion (GOR) wertvolle Chemikalien wie Dihydroxyaceton, Ameisensäure, Glyceraldehyd und Glycolaldehyd herstellen lassen. Glycerin kann dafür in photoelektrochemischen (PEC)-Reaktoren oxidiert werden, die derzeit insbesondere für die Produktion von grünem Wasserstoff entwickelt werden. Allerdings wird dieser Weg derzeit kaum genutzt, weil die Effizienz zu wünschen lässt. Das ist schade, denn die Oxidation von Glycerin benötigt viel weniger Energie als die Wasserstofferzeugung durch Wasserspaltung, und erzeugt dabei wertvolle Chemikalien. Dadurch ließe sich die Wirtschaftlichkeit des PEC-Power-to-X-Verfahrens erheblich steigern.
Zahlreiche Studien haben bereits die Rolle der Photokatalysatoren in PEC-Elektrolyseuren untersucht, die Rolle des Elektrolyten blieb dabei unter dem Radar. Ein Team unter der Leitung von Dr. Marco Favaro am Institut für Solare Brennstoffe hat nun den Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Effizienz und Stabilität der Glycerin-Oxidation systematisch analysiert.
Unterschiedliche Elektrolyte getestet
Das Team verwendete eine PEC-Zelle mit Photoanoden aus nanoporösem Bismutvanadat (BiVO4) und testete saure Elektrolyte (pH = 2), darunter Natriumnitrat (NaNO3), Natriumperchlorat (NaClO4), Natriumsulfat (Na2SO4), Kaliumsulfat (K2SO4) und Kaliumphosphat (KPi). „Unsere Ergebnisse zeigten, dass BiVO4-Photoanoden in Natriumnitrat am besten funktionieren und das üblicherweise verwendete Natriumsulfat in Bezug auf Photostrom, Stabilität und Produktionsraten von hochwertigen Glycerin-Oxidationsreaktionsprodukten übertreffen", fasst Favaro zusammen.
Deutlicher Einfluss, auch bei anderen Photoanoden
Das Team untersuchte auch die Gründe für diesen Leistungsunterschied: Ihre Hypothese ist, dass die Größe der Ionen, ihre unterschiedlichen Ein- und Aussalzungsfähigkeiten (Hofmeister-Reihe) und ihre unterschiedliche pH-Pufferkapazität eine Rolle spielen. „Tatsächlich hat die Zusammensetzung des Elektrolyten einen überraschend deutlichen Einfluss auf die Effizienz der Glycerin-Oxidation, und wir konnten diesen Trend sowohl bei Bismut-Vanadat- als auch bei polykristallinen Platinanoden beobachten ", sagt Doktorand Heejung Kong. Dies legt die Schlussfolgerung nahe, dass sich dieser Befunde auch auf andere Materialien und Prozesse übertragen lassen.
"Unsere Forschung könnte dazu beitragen, Nebenprodukte der Biodieselproduktion effizienter in wertvolle Chemikalien umzuwandeln. Damit würden Abfallstoffe genutzt und die Auswirkungen auf die Umwelt minimiert", sagt Favaro.
Hinweis: Diese Arbeit wurde vom Europäischen Innovationsrat (EIC) im Rahmen des OHPERA-Projekts (Finanzhilfevereinbarung 101071010) unterstützt.
*Quelle: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1179499/umfrage/produktion-von-biodiesel-und-erneuerbarem-diesel-eu/=
- Perowskit-Dreifachsolarzellen: Noch effizienter mit GO/SAM DoppelschichtPerowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um, darüber hinaus sind sie günstig und superleicht. Ein Team am HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt. Sie konnten zeigen, dass diese Doppelschicht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Langzeitstabilität deutlich steigert. Der Wirkungsgrad der neuartigen Perowskit-Dreifachsolarzelle beträgt 27,3% und fällt auch nach mehr als 770 Stunden in Betrieb kaum ab. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Joule erschienen.
- Green Deal Ukraїna auf der Ukraine Recovery ConferenceEnde Juni fand in Danzig, Polen, die Ukraine Recovery Conference (UCR2026) statt. Anders als bei den vorherigen Konferenzen wurde erstmals eine dedizierte Energieplattform eingerichtet, gemeinsam organisiert vom ukrainischen Energieministerium und dem polnischen Ministerium für Klima und Umwelt. Diese Energieplattform bündelte Diskussionen, Ankündigungen und Rahmenveranstaltungen und trug so zur besseren Sichtbarkeit und Koordinierung der Energiethemen bei. Green Deal Ukraїna, eine vom HZB koordinierte Initiative, organisierte im Rahmen der Konferenz drei Veranstaltungen zu Forschungs- und Energiethemen.
- Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale MagnetfeldMaterialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten viele Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Spintronik. Um solche Materialien zu untersuchen, sind magnetisch empfindliche Bildgebungsverfahren im Nanobereich geeignet, bisher konnten während des Bildgebung jedoch nur schwache Magnetfelder angelegt werden. Nun hat eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Sergio Valencia vom HZB einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs). Die Geometrie der MFCs ähnelt einer Blume und fokussiert das angelegte Magnetfeld auf das Zentrum, in dem die Probe sitzt. Die „Mikroblumen“, die das Magnetfeld lokal verstärken, können in vielen nanometrischen magnetischen Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.