Nachhaltige Biopolymere als alternative Bindemittel in elektrochemischen Systemen für umweltfreundliche chemische Umwandlungen

• Antragsteller: Professor Nikolay Kornienko, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573486135

Der Einsatz von erneuerbaren strombetriebenen elektrokatalytischen Systemen für nachhaltige Reaktionen wie die grüne H2-Produktion, CO2-Umwandlung und NH3-Erzeugung wird in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich exponentiell zunehmen. Dieses exponentielle Wachstum erfordert jedoch Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit der Komponenten des elektrokatalytischen Systems. Derzeitige elektrokatalytische Systeme verwenden jedoch ubiquitär Polymere auf Basis von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS), die aufgrund ihrer Persistenz und Umweltgefährdung als „ewige Chemikalien“ bekannt sind. PFAS-Materialien, die sich durch starke C-F-Bindungen auszeichnen, sind schwer abbaubar und bergen erhebliche ökologische und gesundheitliche Risiken, was zu einer verstärkten behördlichen Kontrolle führt. Eine wichtige Komponente in elektrokatalytischen Systemen ist der ionenleitende Polymerbinder (Ionomer), der in der Regel aus PFAS-basierten Polymeren wie Nafion hergestellt wird. Auch Nafion-Ionenaustauschmembranen sind weit verbreitet. Diese Fluorpolymere werden aus fossilen Brennstoffen gewonnen, erfordern aufwendige Produktionsprozesse und sind nicht biologisch abbaubar, was zu ihrer Umweltgefährdung beiträgt. Dieses Projekt entwickelt nachhaltige Ionomere für Katalysatorbindemittel aus skalierbaren biologischen Quellen als Alternative zu PFAS-Materialien. Gestützt auf vorläufige Daten werden wir Cellulose und andere verwandte Polysaccharid-Biopolymere als Ionomere und Bindemittel einsetzen, um PFAS-Materialien in elektrokatalytischen Systemen zu ersetzen, die durch die elektrochemische Reduktion von NO3-Abfällen NH3 als nachhaltigen Dünger produzieren. Hier ist Cellulose besonders attraktiv, da in der Landwirtschaft große Mengen an Cellulose-Nebenprodukten anfallen, wodurch Cellulose-Ionomere kostengünstig und skalierbar als Teil einer Kreislaufwirtschaft für Materialien sind. Darüber hinaus ist Cellulose völlig ungiftig und umweltfreundlich. Wir werden zunächst die Leistung von Biopolymeren in modellierten elektrokatalytischen Systemen zur Erzeugung von Ammoniak charakterisieren. Als Nächstes werden wir untersuchen, wie die Schnittstelle zwischen Biopolymer und Katalysator und die daraus resultierende Mikroumgebung die katalytische Aktivität und Stabilität beeinflussen. Wir wollen diese Kennzahlen durch Modulation der Integration und Zusammensetzung von Katalysator, Bindemittel und Elektrode optimieren. Schließlich werden wir die optimierten Systeme aus dem Labor in praktische Technologien zur Erzeugung von NH3 aus simulierten landwirtschaftlichen Abwässern übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Singapur
• Anwendungspartner: Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)
• Kooperationspartner: Andrew Wong, Ph.D.