Organische Batterien mit Rinden und Huminsäuren
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S. Pansegrau, K. Dick, D. Rosenberg, M. Busker & W. Jansen Quellen: [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] F. H. Frimmel (2003), Huminstoffe. Thieme ROEMPP Online-Lexikon, URL: https://roempp.thieme.de/roempp4.0/do/data/RD-08- 02011 [5] Fugmann, B.; Lang-Fugmann, S.; Steglich, W. (Hrsg.) (1997), RÖMPP Lexikon –Naturstoffe. Stuttgart. S. 297f., S. 631f. [6] D. Rosenberg et al. (2016). Organische Batterien mit Gallussäure, Pyrogallol und Grünen Tee. PdN CHEMIE in der Schule 65 (6), 22-27. Einleitung Organische Batterien mit Rinden und Huminsäuren Svenja Pansegrau, Dominique Rosenberg Auf dem Campus 1 24943 Flensburg [email protected] Vorkommen und Verwendung von Huminsäuren und Rinden Redox-Verhalten von Huminsäuren und Rinden Experimente mit Huminsäuren und Eschenrinde in Redox-Flow-Batterien Gefördert durch: : Im Fokus der erneuerbaren Energien aus Wind- und Solaranlagen steht derzeit die ungelöste Problematik der Energiespeicherung. Durch die Abhängigkeit der Wind- und Solaranlagen von den unbeständigen Wetterverhältnissen, sollte die Speicherung dieser Energie und ihre Wiederverwertung nicht zu große Verluste aufweisen. Einfacher Versuchsaufbau im Becherglas: Verwendung eines Tontopfes als semi- permeable Membran zwischen den Halbzellen. Nutzung von Grafitfolien als Elektro- denmaterial. Verwendung einer Cer(IV)sulfat- Lösung (25 g Cer(IV)sulfat in 500 ml 1 molarer Schwefelsäure) auf der Katho- denseite (Abb. 6). Darstellung des Flow-Prinzips mittels eines Magnetrührers mit Rührkernen. Abb. 8: Zeitlicher Verlauf von Spannung, Stromstärke und Potentialen der Humocarb/Cer(IV)sulfat-Batterie (links) und der Eschenrinde/Cer(IV)sulfat-Batterie (rechts) Abb. 7: Versuchsaufbau der Eschenrinde/Cer(IV)- Batterie mit drei Motoren Praktikable Systeme aus organischen Substanzen konnten bereits von den Arbeitsgruppen um AZIZ et al. [1] und NARAYANAN et al. [2,3] entwickelt werden. Sogenannte Redox-Flow-Batterien, in denen Chinone und Hydrochinone an Graphitelektroden elektrochemisch umgesetzt werden können, liefern im Vergleich zu traditionellen Batterien einen größeren Stoffumsatz [1-3]. Huminsäuren haben eine komplexe Struktur, in der an phenolischen Kernen Polysaccharide und Aminosäuren gebunden sein können. Auch chinoide Strukturelemente kommen vor [5]. Gelöst in Natronlauge werden die phenolischen Gruppen deprotoniert. Beim Entladeprozess kommt es dann zur Oxidation der phenolischen Gruppen der Huminsäuren (Abb.3). Eschen- sowie Eichenrinde enthalten ähnlich wie Matchatee [6] einen hohen Anteil an Gerbstoffen bzw. Tanninen. Die OH-Gruppen werden durch das Lösen in Natronlauge zunächst ebenfalls deprotoniert. Beim Entladevorgang (Abb. 4) werden die phenolischen Gruppen oxidiert. Abb. 1: Humocarb formuliert Pulver Abb. 2: Eschenrinde Abb. 3: Deprotonierung und Oxidation der Huminsäure Abb. 4: a) Eschenrinde mit Lösung (links) und Cer(IV)sulfat mit Lösung (rechts) b) Oxidation des deprotonierten Tannins beim Entladevorgang Abb. 11: Versuchsaufbau Während einer Betriebszeit mit einem leistungsstarken Motor von 30 Minuten halten sich die Spannung und die Potentiale beider Elektroden der Humocarb/Cer(IV)sulfat-Batterie relativ konstant (Abb. 8). Bei der Eschenrinde/Cer(IV)sulfat-Batterie wurden in Abständen von ca. 10 Minuten jeweils ein zweiter und dritter leistungsstarker Motor ange- schlossen. Trotz erhöhter Belastung durch mehrerer Motoren waren Spannung, Stromstärke sowie Potentiale der Elektroden ebenfalls relativ konstant (Abb. 8). Huminsäuren kommen in verschiedenen Bodenbestand- teilen wie z.B. Humus, Torf, Moor oder Kohle vor. Entdeckt wurden sie im 18. Jahrhundert, doch erst seit den 1960‘er Jahren interessiert sich die wissenschaftliche Forschung dafür. Sie werden unter anderem zur Rekultivierung von Böden in der Landwirtschaft sowie in der Veterinärmedizin verwendet [4]. Auf der Anodenseite Einsatz einer alkalischen Lösung von 31 g Eschen- rinde in 1 molarer NaOH bzw. von 20 g Huminsäure („Humocarb formuliert“) in 1 molarer NaOH. Zusätzlich zur Ruheklemmenspannung auch Potentialmessungen mit einer Ag/AgCl-Elektrode möglich. Für den Entladeprozess der Batterie Einsatz von leistungsstarken Elektro- motoren von Heliocentris Abb. 6: Versuchsaufbau 1 Motor 2 Motoren 3 Motoren Zu den ältesten medizinischen Therapien gehört die Pflanzenheilkunde, in der ganze Pflanzen oder Pflanzenbestandteile therapeutisch ange- wendet werden. Ein Tee aus Eichenrinde hilft beispielsweise bei Durfallerkrankungen und Ent- zündungen im Rachenbereich [5]. Die Eschenrinde hingegen gilt als entzündungs- hemmend, schmerzstillend und antiödematös. a) b) Charakteristika der Batterie Humocarb/ Cer(IV)sulfat Eschenrinde/ Cer(IV)sulfat Ruheklemmenspannung 1,98 V 1,56 V Ruhepotential der Anode gegen NHE -0,516 V -0,106 V Spannung 3 Minuten nach Anschluss eines Motors 1,85 V 1,25 V Stromstärke 3 Minuten nach Anschluss des Motors 14,6 mA 16,9 mA Tabelle 1: Ergebnisse des Modellversuche
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S. Pansegrau, K. Dick, D. Rosenberg, M. Busker & W. Jansen
Quellen:[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 StorageBased on Water-Soluble Organic Redox Couples. ESC 161(p), A1371-A1380 [4] F. H. Frimmel (2003),Huminstoffe. Thieme ROEMPP Online-Lexikon, URL: https://roempp.thieme.de/roempp4.0/do/data/RD-08-02011 [5] Fugmann, B.; Lang-Fugmann, S.; Steglich, W. (Hrsg.) (1997), RÖMPP Lexikon –Naturstoffe. Stuttgart. S.297f., S. 631f. [6] D. Rosenberg et al. (2016). Organische Batterien mit Gallussäure, Pyrogallol und Grünen Tee.PdN CHEMIE in der Schule 65 (6), 22-27.
Einleitung
Organische Batterien mit Rinden und Huminsäuren
Svenja Pansegrau,Dominique Rosenberg
Auf dem Campus 1 24943 Flensburg
Vorkommen und Verwendung von Huminsäuren und Rinden
Redox-Verhalten von Huminsäuren und Rinden
Experimente mit Huminsäuren und Eschenrinde in Redox-Flow-Batterien
Gefördert durch: :
Im Fokus der erneuerbaren Energien aus Wind- und Solaranlagen stehtderzeit die ungelöste Problematik der Energiespeicherung.
Durch die Abhängigkeit der Wind- und Solaranlagen von denunbeständigen Wetterverhältnissen, sollte die Speicherung dieser Energieund ihre Wiederverwertung nicht zu große Verluste aufweisen.
Einfacher Versuchsaufbau im Becherglas:
Verwendung eines Tontopfes als semi-permeable Membran zwischen denHalbzellen.
Nutzung von Grafitfolien als Elektro-denmaterial.
Verwendung einer Cer(IV)sulfat-Lösung (25 g Cer(IV)sulfat in 500 ml 1molarer Schwefelsäure) auf der Katho-denseite (Abb. 6).
Darstellung des Flow-Prinzips mittelseines Magnetrührers mit Rührkernen.
Abb. 8: Zeitlicher Verlauf von Spannung, Stromstärke und Potentialen der Humocarb/Cer(IV)sulfat-Batterie (links) und der Eschenrinde/Cer(IV)sulfat-Batterie (rechts)
Abb. 7: Versuchsaufbau der Eschenrinde/Cer(IV)-Batterie mit drei Motoren
Praktikable Systeme aus organischen Substanzen konnten bereits von denArbeitsgruppen um AZIZ et al. [1] und NARAYANAN et al. [2,3] entwickeltwerden.
Sogenannte Redox-Flow-Batterien, in denen Chinone und Hydrochinone anGraphitelektroden elektrochemisch umgesetzt werden können, liefern imVergleich zu traditionellen Batterien einen größeren Stoffumsatz [1-3].
Huminsäuren haben eine komplexeStruktur, in der an phenolischen KernenPolysaccharide und Aminosäurengebunden sein können. Auch chinoideStrukturelemente kommen vor [5].Gelöst in Natronlauge werden diephenolischen Gruppen deprotoniert.Beim Entladeprozess kommt es dann zurOxidation der phenolischen Gruppender Huminsäuren (Abb.3).
Eschen- sowie Eichenrinde enthalten ähnlich wie Matchatee [6] einen hohenAnteil an Gerbstoffen bzw. Tanninen. Die OH-Gruppen werden durch das Lösenin Natronlauge zunächst ebenfalls deprotoniert. Beim Entladevorgang (Abb. 4)werden die phenolischen Gruppen oxidiert.
Abb. 1: Humocarb formuliert Pulver
Abb. 2: Eschenrinde
Abb. 3: Deprotonierung und Oxidation der Huminsäure
Abb. 4: a) Eschenrinde mit Lösung (links) und Cer(IV)sulfat mit Lösung (rechts) b) Oxidation des deprotoniertenTannins beim Entladevorgang
Abb. 11: Versuchsaufbau Während einer Betriebszeit mit einem leistungsstarken Motor von 30
Minuten halten sich die Spannung und die Potentiale beider Elektroden derHumocarb/Cer(IV)sulfat-Batterie relativ konstant (Abb. 8).
Bei der Eschenrinde/Cer(IV)sulfat-Batterie wurden in Abständen von ca. 10Minuten jeweils ein zweiter und dritter leistungsstarker Motor ange-schlossen. Trotz erhöhter Belastung durch mehrerer Motoren warenSpannung, Stromstärke sowie Potentiale der Elektroden ebenfalls relativkonstant (Abb. 8).
Huminsäuren kommen in verschiedenen Bodenbestand-teilen wie z.B. Humus, Torf, Moor oder Kohle vor.Entdeckt wurden sie im 18. Jahrhundert, doch erst seitden 1960‘er Jahren interessiert sich die wissenschaftlicheForschung dafür.Sie werden unter anderem zur Rekultivierung von Bödenin der Landwirtschaft sowie in der Veterinärmedizinverwendet [4].
Auf der Anodenseite Einsatz eineralkalischen Lösung von 31 g Eschen-rinde in 1 molarer NaOH bzw. von 20 gHuminsäure („Humocarb formuliert“)in 1 molarer NaOH.
Zusätzlich zur Ruheklemmenspannungauch Potentialmessungen mit einerAg/AgCl-Elektrode möglich.
Für den Entladeprozess der BatterieEinsatz von leistungsstarken Elektro-motoren von Heliocentris
Abb. 6: Versuchsaufbau
1 Motor
2 Motoren
3 Motoren
Zu den ältesten medizinischen Therapien gehörtdie Pflanzenheilkunde, in der ganze Pflanzenoder Pflanzenbestandteile therapeutisch ange-wendet werden. Ein Tee aus Eichenrinde hilftbeispielsweise bei Durfallerkrankungen und Ent-zündungen im Rachenbereich [5]. DieEschenrinde hingegen gilt als entzündungs-hemmend, schmerzstillend und antiödematös.
a) b)
Charakteristika der Batterie Humocarb/Cer(IV)sulfat
Eschenrinde/Cer(IV)sulfat
Ruheklemmenspannung 1,98 V 1,56 V
Ruhepotential der Anode gegen NHE -0,516 V -0,106 V
Spannung 3 Minuten nach Anschluss eines Motors
1,85 V 1,25 V
Stromstärke 3 Minuten nach Anschluss des Motors
14,6 mA 16,9 mA
Tabelle 1: Ergebnisse des Modellversuche
