Elektroreaktor liefert reine Bernsteinsäure

Bei elektrochemischen Reaktionen steckt das gewünschte Produkt häufig in einer Lösung mit Salzen und anderen Hilfsstoffen. Diese anschließend wieder abzutrennen, erfordert zusätzliche Prozessschritte. Forschende aus Hongkong haben nun einen Reaktor entwickelt, der die chemische Umwandlung mit der Aufreinigung verbindet. Als Modellreaktion wandelten sie Maleinsäure elektrochemisch in Bernsteinsäure um. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Communications.

An der Arbeit waren unter anderem die Hong Kong Polytechnic University und die City University of Hong Kong beteiligt. Bernsteinsäure ist eine vielseitige Plattformchemikalie, aus der sich beispielsweise Kunststoffe und weitere chemische Zwischenprodukte herstellen lassen. Sie kann auch biobasiert erzeugt werden. Maleinsäure wiederum lässt sich grundsätzlich aus biogenen Plattformmolekülen wie Furfural oder 5-Hydroxymethylfurfural gewinnen.

Ionen pendeln im Kreislauf

Der neue Aufbau nutzt einen porösen Festelektrolyten zwischen den Reaktionsräumen. Dabei zirkulieren Natriumionen im System und unterstützen die gewünschte Hydrierung, bei der Wasserstoff an die Maleinsäure angefügt wird. Gleichzeitig wird die konkurrierende Bildung von Wasserstoffgas unterdrückt. Anders als bei vielen elektrochemischen Verfahren benötigt die Reaktionslösung dabei kein zusätzliches Leitsalz.

Das zunächst gebildete Natriumsuccinat wird kontinuierlich in die mittlere Reaktorschicht zurückgeführt und dort in Bernsteinsäure überführt. So entsteht ein geschlossener Kreislauf für die Natriumionen. Das System erreichte eine Faraday-Effizienz von rund 85 %. Vereinfacht gesagt flossen damit etwa 85 % der elektrischen Ladung in die gewünschte Reaktion. Der Reaktor arbeitete mehr als 500 Stunden stabil und lieferte eine Bernsteinsäurelösung mit einer Reinheit von mehr als 98 %. Eine anschließende Rückgewinnung von Elektrolytsalzen war nicht erforderlich.

Bislang ein Modellprozess

Der Ansatz ist bislang ein Labornachweis. Die Forschenden verarbeiteten keinen realen Biomasse-Stoffstrom, sondern eine Maleinsäure-Lösung als Modell für einen ungesättigten, aus Biomasse ableitbaren Ausgangsstoff. Die Studie zeigt damit zunächst, dass sich elektrochemische Umwandlung und Produktreinigung in einem Reaktorkonzept koppeln lassen.

Ob das Prinzip auch mit komplexeren biobasierten Rohstoffströmen und in größerem Maßstab funktioniert, ist damit noch offen. Gerade bei biobasierter Bernsteinsäure spielt die Aufarbeitung des Produkts jedoch eine wichtige Rolle. Ein Verfahren, das Herstellung und Reinigung miteinander verbindet, könnte hier Prozessschritte einsparen.

ag