Comeback der Elektrolyse

16. August 2017

Mit seinem Team hat er einer alten Disziplin neues Leben eingehaucht: Prof. Dr. Siegfried Waldvogel vom Institut für Organische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gibt der Elektrochemie neue Impulse. Seit 15 Jahren forscht er an chemischen Umsetzungen, die bisher nicht möglich schienen. Sein Arbeitskreis entwickelt Verfahren, die Industrie und Wirtschaft aufhorchen lassen.
 

Auf seinem Schreibtisch stapeln sich allerlei Unterlagen. "Mit Ende des Semesters gibt es immer sehr viel zu tun", erklärt Prof. Dr. Siegfried Waldvogel schulterzuckend, "da komme ich manchmal nicht so schnell nach." Dennoch lässt sich der Chemiker nicht drängen: Die Papierstapel müssen noch ein wenig warten, denn jetzt nimmt er sich erst einmal Zeit um zu erklären, worum es in seiner Forschung am Institut für Organische Chemie der JGU geht.

"Wir kommen mit sehr einfachen Apparaturen aus", meint Waldvogel. Zielsicher greift er ein Blatt mit einer Grafik heraus. Ein Glaskolben ist schematisch dargestellt, darin zwei Elektroden. Im Prinzip ist das alles, was sein Arbeitskreis braucht. Denn Waldvogel und sein Team haben eine alte Disziplin neu belebt: Sie nutzen die Elektrolyse, um verschiedenste chemische Verbindungen herzustellen, um sie aufzulösen oder zu modifizieren. "Wir setzen Moleküle zusammen, schließen einen Ring oder entfernen Gruppierungen."

Simples Verfahren

Waldvogel beschreibt das Verfahren vereinfacht: "Wir geben Elektronen hinein und Elektronen kommen heraus. Dazwischen passiert etwas." Diese Zwischenstufe nimmt beim Arbeitskreis Waldvogel die verschiedensten Formen an. Es entstehen Materialien für effektivere Batterien, Komponenten für neuartige Medikamente und vieles mehr.

"Wir haben vor 15 Jahren begonnen, in dieses Gebiet zu investieren, weil wir glaubten, dass wir etwas Besonderes schaffen können." Bereits vor rund 150 Jahren nutzte der Chemiker Hermann Kolbe die Elektrolyse. "Viele Kolleginnen und Kollegen haben versucht, es mit aufwendigen Apparaturen zu verfeinern." Doch das setzte sich nicht durch. Die Elektrochemie kam aus der Mode. "Sie verschwand praktisch aus der akademischen Forschung. Sie galt als unschick. Wir waren die erste Gruppe in Deutschland, die sich wieder intensiv damit beschäftigte."

Chemische Umsetzungen sind das Kerngeschäft der Chemiker. "Wir versuchen, von einem Stoff A zu einem Stoff B zu kommen. Dafür brauchen wir normalerweise Reagenzien wie Metallsalze. Das führt allerdings dazu, dass wir Abfälle generieren." Diese Abfälle können hochgiftig sein, wenn etwa Quecksilber mit im Spiel ist. "Außerdem kommen oft seltene Erden zum Einsatz." Viele dieser Stoffe sind knapp und kostspielig.

"In der Elektrochemie verwenden wir Strom als Reagenz. Das macht uns unabhängig von knappen und teuren Rohstoffen. Wir produzieren auch weniger Abfälle – und was in der Industrie eine ganze Reihe Einzelschritte erfordert, können wir mit der Elektrolyse oft viel schneller und einfacher erledigen."

Hilfe für Pharmaunternehmen

Das hat sich mittlerweile herumgesprochen. Der Arbeitskreis Waldvogel ist zum Partner vieler Unternehmen geworden. Wichtige Patente gehen auf seine Forschung zurück. "Oft kommen Vertreter von Pharmaunternehmen zu uns, weil sie einen Baustein für ein Medikament brauchen. Sie können es selbst nicht vernünftig herstellen, weil sie nicht über die entsprechenden Anlagen oder Verfahren verfügen."

Waldvogels Team macht sich an die Arbeit: Was eingangs nach einer sehr simplen Apparatur aussah, wird nun doch etwas komplizierter. Elektroden kommen in verschiedenster Beschaffenheit und Form zum Einsatz. Sie können aussehen wie ein Schwamm oder eine Scheibe, können aus Zink oder aus Bor-dotiertem Diamant sein. Zudem werden Elemente zwischen die Elektroden gesetzt: Unter anderem finden Glas, Keramik und Ton Anwendung.

"Wir probieren vieles aus", verrät Waldvogel. "Wir suchen nach chemischen Umsetzungen, die bisher eigentlich nicht funktioniert haben. Wir versuchen, neue Türen zu öffnen, denn uns interessiert der Raum dahinter. Manchmal machen wir Zufallsentdeckungen, manchmal finden wir genau das, was wir gesucht haben." Im Zentrum steht immer die Frage: Wo ist Elektrolyse noch sinnvoll einzusetzen?

Vanillin aus Abfall

Waldvogel nennt ein Projekt, das ihm und seinem Team besonders am Herzen liegt: "Wir schauen uns Abfallstoffe an, die normalerweise nur noch verbrannt werden." Einer dieser Stoffe entsteht bei der Holzverarbeitung: Nachdem der Zellstoff für das Taschenbuch oder das Papiertaschentuch gewonnen ist, bleibt die sogenannte Schwarzlauge übrig. "Ihr Hauptbestandteil ist der Kleber Lignin, der die Holzfasern zusammenhält. Wir können dieses Lignin elektrolysieren und erhalten Vanillin."

Damit wird die Schwarzlauge plötzlich interessant. Vanillin ist ein viel verwendeter Aromastoff, der nun nicht nur aus nachwachsenden Rohstoffen, sondern sogar aus deren Abfällen hergestellt werden kann. Der Arbeitskreis Waldvogel beschäftigt sich gerade damit, dieses Verfahren zu perfektionieren. Der Chemiker nennt einen Faktor, den er mit ins Kalkül einbeziehen muss: "Vanillin zersetzt sich recht schnell. Wir müssen die Elektrolysezeiten also kurzhalten."

Die Elektrochemie zeigt sich in Waldvogels Forschung hochmodern und auf der Höhe der Zeit: Sie verbraucht weniger Rohstoffe und produziert weniger Abfälle als herkömmliche Verfahren. Flexible Produktionsabläufe ermöglichen es zudem, temporäre Stromüberschüsse günstig aus dem Netz abzuschöpfen.

Attraktive Universität

"Es ist meine feste Überzeugung, dass wir gerade mit regenerativen Quellen noch einiges erreichen können", prophezeit Waldvogel. "In Zusammenarbeit mit zwei, drei großen Firmen, die Zellstoff verarbeiten, könnten wir bald den Vanillin-Markt weltweit decken.“

Im Jahr 2010 kamen Waldvogel und sein Team von Bonn nach Mainz. "Die Stadt Mainz ist ein attraktiver Standort und an der JGU haben wir hervorragende Bedingungen für unsere Forschung gefunden. Hier gibt es zum Beispiel noch eigene Werkstätten. Viele Universitäten sparen sich inzwischen solche Einrichtungen, aber wir brauchen sie dringend, denn wir stellen viele unserer Geräte nach Maß her und müssen oft improvisieren."

Waldvogel selbst steht mittlerweile nicht mehr allzu oft im Labor. "Ich bin jemand, der vor allem Impulse gibt und Ideen einbringt. Meine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter setzen diese dann in die Realität um", meint er lächelnd. Außerdem sind da noch die Stapel an Papier, die auf seinem Schreibtisch warten. Mit Semesterende türmen sie sich und wollen abgearbeitet werden.