Prof. Dr. Jürgen Janek
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31.12.2023

Im Rahmen des Projekts wurden neuartige, sowie literaturbekannte organische Elektrolyte für eine potentielle Anwendung in Redox-Flow-Batterien elektrochemisch charakterisiert. Hierbei wurden synthetisierte Elektrolyte des Kooperationspartners AG Wegner mittels zyklovoltammetrischer Messungen untersucht. Verschiedene Grundstrukturen mit zusätzlicher Derivatisierung wurden elektrochemisch charakterisiert. Hierbei konnte von einer Grundstruktur her kein geeignetes Derivat gefunden werden. Ein Azobenzol-Derivat mit Posolyt-Funktionalisierung in stark saurem wässrigem Elektrolyten zeigt interessante zyklovoltammetrische Ergebnisse, welches jedoch auch Degradation zeigt und weitere Optimierung und Charakterisierung benötigt. Neben den neuartigen Verbindungen wurden auch literaturbekannte Aktivmaterialien wie Phenazin-Derivate weitergehend untersucht. Für die Phenazin-Derivate sind die pH abhängigen elektrochemischen Eigenschaften weitergehend charakterisiert worden. Im Zusammenhang der Elektrolyte und Elektrodenmaterialien wurden Kohlenstoffbeschichtungen und deren Einfluss auf elektrochemische Eigenschaften getestet. Durch Verwendung der Kohlenstoffbeschichtung konnte die Geschwindigkeitskonstante im stark alkalischen wässrigen Elektrolyten erhöht werden. Zusätzlich wurden Elektrodenmaterialien mit ausgewählten Elektrolyten verwendet und deren chemische Stabilität, durch Veränderung der Kohlenstoffoberfläche analysiert. Dies wurde mit Elektroden vor und nach der Anwendung in der RFB durchgeführt, sowie mit Elektroden, welche nur in den Elektrolyten eingelegt waren. Vergleichend wurde gezeigt, dass auch chemische Degradation im Elektrolyten ohne das Zyklisieren stattfindet. Zusätzlich wurden Parameter wie Polarisationswiderstände und elektrochemisch aktive Oberflächen von Elektroden vor und nach der Anwendung bestimmt und verglichen.

Dieses Projekt ist die Fortführung und Erweiterung der Arbeiten aus dem vorangegangenen Projekt "FOREST - Chemische und elektrochemische Verfahren zur Umsetzung nachwachsender Rohstoffe zu redoxaktiven Substanzen". Alle wesentlichen Verfahrensschritte konnten in diesem Vorgängerprojekt erforscht werden. Damit der Prozess zukünftig wirtschaftlich einsetzbar wird, sind weitere Fragestellungen grundlegend zu erforschen: Um die Ausbeute an niedermolekularen, aromatischen Verbindungen aus der Ligninfragmentierung zu verbessern, wird die Produktfiltration mit der Fragmentierungsreaktion verbunden, so daß Zielmoleküle während der Reaktion aus dem Prozess entfernt und vor einem weiteren Abbau im Reaktor geschützt werden. Dazu müssen zunächst Filtrationsmembranen erforscht werden, die unter den harschen Reaktionsbedingungen eingesetzt werden können. Für die weiteren Schlüsselreaktionen zur Umsetzung von Lignin zu organischen Elektrolyten wird der elektrosynthetische Ansatz zur Reaktionsoptimierung untersucht. Die Einführung dieser Schritte in den Prozessablauf ist ein technisches Arbeitsziel des Projektes, wobei auch eine wissenschaftliche Verwertung der elektrochemischen Erkenntnisse geplant ist. Weiterhin befassen sich die Projektarbeiten mit der Aufklärung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen, um Effekte zu verstehen, die durch Substituenten an den redoxaktiven Verbindungen hervorgerufen werden. Aus diesen Arbeitenwerden Vorhersagen zur elektrochemischen Performance von redoxaktiven Substanzen als Elektrolyte abgeleitet werden können. Darüber hinaus müssen für eine adäquate Lebensdauer der Batterien Untersuchungen zu Degradationsprozessen durchgeführt werden, denen z.B. durch stabilere Moleküle, geeignetere Betriebsparameter oder Regenerationsstrategien gezielt begegnen zu können. Zu guter Letzt wird im Hinblick auf eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit auch die Verwertung von Nebenströmen in einem eigenen Arbeitspaket untersucht.