Poster Flow-Batteries mit

Flow-Batteries mit Anthocyanfarbstoffen
D. Koring, S. Pansegrau, D. Rosenberg, M. Busker & W. Jansen
Einleitung
Theoretischer Hintergrund
Fast ein Viertel unseres Stroms wird heutzutage aus erneuerbaren Energien
gewonnen. Die optimale Energiespeicherung der wachsenden Mengen an
Solar- und Windstrom ist eine wesentliche Problematik der Energiewende.
Arbeitsgruppen um Aziz [1,2] und Narayanan [3] haben für den Einsatz in
Flow-Batteries geeignete Systeme aus Chinonen und Hydrochinonen entwickelt, die an Graphitelektroden umgesetzt werden.
 Als mögliche Lösung werden Flow-Batteries diskutiert.
 Chinone und deren Derivate sind in diesem Bereich aufgrund geringer
Kosten und Toxizität sowie einer hohen Reversibilität vielversprechend.
 In diesen Batterien werden die elektrochemisch wirksamen und im
Elektrolyten gelösten Stoffe den Elektroden einer Halbzelle kontinuierlich
zugeführt.
 Diese Substanzen können beim Ladevorgang oxidiert bzw. reduziert
werden, um dann bei Bedarf durch Entladen elektrische Energie zu liefern.
 Da die elektrochemisch wirksamen Lösungen in Tanks gelagert werden,
können große Mengen an elektrischer Energie gespeichert werden.
In vorherigen Arbeiten konnten bereits eine Reihe von Experimenten für den
Chemieunterricht entwickelt werden, mit denen das Prinzip von Redox-FlowZellen mit organischen Substanzen verdeutlicht wird.
 Durch den Einsatz von anthocyanhaltigen Lebensmitteln können weitere
spannende Experimente mit Alltagsmaterialien erschlossen werden.
Anthocyane
 Wasserlösliche Pflanzenfarbstoffe
 Vorkommen in höheren Pflanzen.
 Intensiv rote, violette oder blaue Färbung
von Blüten und Früchten.
 Blaue Trauben, Holunderbeeren und
Heidelbeeren sind reich an Anthocyanen.
 Vertreter sind Malvidin, Cyanidin und
Delphinidin.
 Malvidin-Gehalt in Rotwein je nach
Rebsorte unterschiedlich, besonders
reichhaltig: Dornfelder Rotwein.
Lebensmittel
Gehalt an Anthocyanen
Holundersaft
1900-6600 mg/100 ml
Cyanidin
Johannisbeersaft 1300-4000 mg/100 ml
(schwarz)
Delphinidin
Rotkohl
 Aufgrund der phenolischen OH-Gruppen
der Anthocyane ist eine Oxidation zu
Chinonen möglich.
Reaktionsschemata zur Oxidation
von Malvidin
O
CH3
OH
HO
O
+
O
CH3
O
CH3
O
+ 4 OH-
OH
O
OH
-
O
+
O
O
O
-
O
+
O
Delphinidin
Cyanidin
O
12-40 mg/100 g Cyanidin
O
-
+ 4 H 2O
-
CH3
O
Malvidin
CH3
O
Abb. 2: Deprotonierung von Malvidin
O
-
-
CH3
-
O
CH3
-
O
O
-
O
+
O
Rotwein
2-1000 mg/100 ml
Malvidin
O
CH3
+ 2 e-
Abb. 3: Oxidation von Malvidin (vereinfacht) O
Abb. 1:Strukturformeln der Anthocyanfarbstoffe Malvidin, Delphinidin und Cyanidin
-
Einsatz von Rotwein
 Einfacher Aufbau in einem Becherglas (Abb. 4).
 Die Ruheklemmenspannung betrug 1,23 V und das Ruhepotential der
Kohle/Rotwein-Elektrode -0,44 V gegen NHE (s. Abb. 5).
 Zwischen den beiden Halbzellen dient ein
Tontopf als semipermeable Membran.
 Nach Einschalten eines leistungsstarken Motors wurde nach 3 Minuten
eine Stromstärke von 15,4 mA und eine Spannung von 0,62 V gemessen.
 Als Elektrodenmaterial hat sich die Nutzung
von Graphitfolien bewährt.
 Während einer Betriebszeit von 30 Minuten halten sich die Spannung
sowie die Potentiale der beiden Elektroden konstant.
 Auf der Kathodenseite wird eine Sauerstoffverzehrkathode mit der Kohleelektrode nach
Oetken [4] verwendet
 Zur Verdeutlichung des Flow-Prinzips wird ein
Magnetrührer mit Rührkern genutzt (Abb. 4).
V
1,6
20
1,2
15
0,8
10
0,4
5
0
0
Abb. 4: Versuchsaufbau
Mit diesem Versuchsaufbau kann der Einsatz von Anthocyanen in
organischen Flow-Batteries in einem Modellversuch untersucht werden.
 Anthocyanhaltige Lebensmittel als Anodensubstanz.
 Verwendung einer alkalischen Anthocyan-Lösung (Holundersaft,
Johannisbeersaft oder Rotwein in 1 mol/l NaOH).
 Zusätzlich zur Ruheklemmenspannung auch Potentialmessung mit
einer Ag/AgCl-Elektrode möglich.
Im Versuchsverlauf von 30 Minuten werden Spannung, Stromstärke und die
Potentiale der beiden Elektroden gemessen (Abb. 5).
Svenja Pansegrau, Dustin Koring,
Dominique Rosenberg
Auf dem Campus 1
24943 Flensburg
[email protected]
0
5
10
15
20
25
30
35
-0,4
-5
-0,8
-10
t (Min)
Spannung
Potential der Rotwein- /Graphitelektrode
Potential SVK
mA
Stromstärke
Abb. 5: Zeitlicher Verlauf von Spannung, Stromstärke und Potentialen der Rotwein-Sauerstoff-Batterie
Fazit
Die Anthocyan/Sauerstoff-Batterien laufen auch unter Belastung mit einem
leistungsstarken Motor stabil. Die Versuche zeigen, dass Anthocyane in
alkalischer Lösung geeignete Anodensubstanzen für Flow-Batteries darstellen;
eine Wiederaufladbarkeit ist allerdings nicht zu erwarten.
Literatur:
[1] B. Huskinson et al. (2013), Novel Quinone-Based Couples for Flow-Batteries. ECS Transactions 57 (7), 101-105 [2] B.
Huskinson et al. (2014), A metal-free organic – inorganic aqueous flow-battery. Nature, 505, 195-198 (2014) [3] B. Yang et
al. (2014), An Inexpensive Aqueous Flow Battery for Large-Scale Electrical Energy Storage Based on Water-Soluble Organic
Redox Couples. ESC 161(p), A1371-A1380 [4] M. Klaus et al. (2014), Metall-Luft-Batterie mit einer neuartigen
Kohleelektrode. Moderne elektrochemische Speichersysteme im Schulexperiment. CHEMKON 21/2, 65-71 [5] D.
Rosenberg et al. (2016). Organische Batterien mit Alizarin - Schulexperimente zur Demonstration von Flow-Batteries mit
dem Farbstoff der Krappwurzel. PdN-Chemie in der Schule 65 (3) 14-19 [6] D. Rosenberg et al. (2016). Speicherung
elektrischer Energie mit neuartigen, organischen Batterien -Einfache Schulexperimente zur Demonstration von FlowBatteries. PdN-Chemie in der Schule 65 (4) 36-42.
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