Wertstoffe aus Abfall: Auf die richtigen Elektrolyte kommt es an
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.
arö
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Marco.favaro@helmholtz-berlin.de
Originalpublikation:
Chemical Science (2024): Electrolyte selection toward efficient photoelectrochemical glycerol oxidation on BiVO4
Heejung Kong, Siddharth Gupta, Andrés F. Pérez-Torres, Christian Höhn, Peter Bogdanoff, Matthew T. Mayer, Roel van de Krol, Marco Favaro and Fatwa F. Abdi
DOI: 10.1039/D4SC01651C
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc01651c
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