Im Jahr 2023 wurden in der Europäischen Union rund 16 Milliarden Liter Biodiesel und HVO-Diesel produziert, basierend auf Mais, Raps oder teilweise auf Reststoffen aus der landwirtschaftlichen Produktion. Ein Nebenprodukt der Biodieselproduktion ist Glycerin, das über eine Glycerinoxidationsreaktion (GOR) als Baustein für die Herstellung wertvoller Chemikalien wie Dihydroxyaceton, Ameisensäure, Glycerinaldehyd und Glykolaldehyd verwendet werden kann. Glycerin kann elektrochemisch in (photo)elektrochemischen (PEC) Reaktoren oxidiert werden, die derzeit speziell für die Produktion von grünem Wasserstoff entwickelt werden.
Allerdings wird dieser Weg in PEC-Anlagen derzeit noch wenig genutzt, obwohl er die Wirtschaftlichkeit des PEC-Power-to-X-Prozesses deutlich steigern könnte, da die Oxidation von Glycerin im Vergleich zur Wasserstoffherstellung durch Wasserspaltung einen deutlich geringeren Energieeinsatz erfordert, gleichzeitig aber wertvollere Chemikalien produziert.
Einfluss unterschiedlicher Elektrolyte untersuchen
Viele Studien haben sich bereits mit der Rolle von Photokatalysatoren in PEC-Elektrolyseuren beschäftigt, die Rolle des Elektrolyten wurde jedoch bislang nicht systematisch analysiert. Ein Team um Dr. Marco Favaro am Institut für Solare Brennstoffe hat nun den Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Effizienz und Stabilität der Glycerinoxidation enthüllt.
Das Papier des Teams ist veröffentlicht im Journal Chemische Wissenschaft.
Sie verwendeten eine PEC-Zelle mit Photoanoden aus nanoporösem Wismutvanadat (BiVO4). Sie testeten saure Elektrolyte (pH = 2) mit verschiedenen Kationen und Anionen, darunter Natriumnitrat (NaNO3), Natriumperchlorat (NaClO4), Natriumsulfat (Na2SO4), Kaliumsulfat (K2SO4) und Kaliumphosphat (KPi).
„Unsere Ergebnisse zeigten, dass BiVO4-Photoanoden in NaNO3 die beste Leistung erbringen und das üblicherweise verwendete Na2SO4 in Bezug auf Fotostrom, Stabilität und Produktionsraten hochwertiger Glycerinoxidationsreaktionsprodukte übertreffen“, fasst Favaro zusammen.
Natriumnitrat ist am wirksamsten
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.
„Die Zusammensetzung des Elektrolyten hat einen überraschend deutlichen Einfluss auf die Effizienz der Glycerinoxidation, und wir konnten diesen Trend sowohl bei Bismutvanadat- als auch bei polykristallinen Platinanoden beobachten“, sagt Doktorand Heejung Kong. Dies untermauert die Annahme, dass diese Erkenntnisse allgemein auf verschiedene Materialien und Prozesse anwendbar sein könnten.
Daher ist die Wahl des Elektrolyten von großer Bedeutung für die Effizienz und Stabilität der Glycerinoxidation.
„Unsere Forschung könnte dazu beitragen, Biomasse-Nebenprodukte effizienter in wertvolle Chemikalien umzuwandeln und aus Abfallstoffen wertvolle Chemikalien herzustellen und dabei die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren“, sagt Favaro.
Mehr Informationen:
Heejung Kong et al, Elektrolytauswahl für eine effiziente photoelektrochemische Glycerinoxidation auf BiVO4, Chemische Wissenschaft (2024). DOI: 10.1039/D4SC01651C