Industrie + Technik

Die Aktionäre des Schweizer Pharmakonzerns Novartis haben in einer außerordentlichen Generalversammlung zugestimmt, den Arzneimittelhersteller Sandoz, das Geschäft mit Generika und Biosimilars, vollständig auszugliedern. Hauptsitz bleibt Basel. In Deutschland arbeitet Sandoz besonders in Holzkirchen und produziert zudem in Wehr, Barleben, Osterweddingen und Rudolstadt.

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Sandoz wird unabhängig

Die Aktionäre des Schweizer Pharmakonzerns Novartis haben in einer außerordentlichen Generalversammlung zugestimmt, den Arzneimittelhersteller Sandoz, das Geschäft mit Generika und Biosimilars, vollständig auszugliedern. Hauptsitz bleibt Basel. In Deutschland arbeitet Sandoz besonders in Holzkirc...

Akademische Forschung und industrielle Anwendung – wie die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Akademia zu optimieren ist, zeigt ein Blick aus der technischen Elektrochemie auf deren Anwendung in der Industrie. Wichtig ist dabei eine klare Kommunikation auf beiden Seiten.Die (technische) Elektrochemie erlebt ein Revival, und zwar als eine zentrale Technologie, um die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen. Sie soll nachhaltige Syntheseprozesse liefern, die sich direkt durch Energien aus erneuerbaren Quellen antreiben lassen.Grundlagen- und anwendungsnahe Forschungsprojekte sind hier entscheidend in der Entwicklung. Während Grundlagenforschung vor allem künftige Technologien vorantreibt, sind anwendungsnahe Projekte wichtig, um elektrochemische Techniken schnell zu implementieren.Nicht jedes Forschungsergebnis ist für die Industrie relevant. Daher ist es wichtig, neue Ansätze frühzeitig auf realistisches Potenzial für industrielle Verwertungen zu prüfen. Idealerweise sollten daher Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Forschung kombiniert werden, um Synergien zu erzielen.<h2 type="main">Dialog und Kooperation</h2>Über viele Jahrzehnte hinweg war die enge Zusammenarbeit zwischen akademischer und industrieller Forschung in Deutschland wichtiger Standortvorteil, vor allem bei den Ingenieurwissenschaften und der technischen Chemie. Jedoch kam es in den letzten Jahrzehnten zu einem Entfremdungsprozess. Publikationsmetriken wie Impaktfaktoren und h-Indizes in der akademischen Forschung heben Forschungsergebnisse hervor; der mühsame Prozess der Umsetzung hin zu nutzbarer Erkenntnis wird dagegen wenig honoriert. Die Industrie konzentriert sich darauf, bestehende Prozesse zu optimieren, und nutzt grundlegend neue Erkenntnisse nur begrenzt.Angesichts der aktuellen Herausforderungen und des notwendigen radikalen Technologiewandels ist dieser Zustand nicht mehr tragbar. Ein Dialog und eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie sind nötig. Nur durch Kooperation können wir den Wissenschaftsstandort Deutschland erfolgreich in die Zukunft führen.Damit eine Zusammenarbeit zwischen Industrie und Akademia gelingt, gilt es für die Industrie, ihre Bedarfe und Fragen mit den akademischen Partnern zu teilen. Gleichzeitig gilt es für die Wissenschaft, anwendungsnahe Forschung als wichtige Aufgabe anzuerkennen und zu honorieren. Hierzu gehört, Ergebnisse aus der Grundlagenforschung in Publikationen nicht leichtfertig als technisch relevante Durchbrüche zu vermitteln, wenn es dafür keine Beweise gibt.<h2 type="main">Beispiel Energiesystem</h2>In vielen Fällen lassen sich Forschungsergebnisse realistisch einschätzen, und sie schaffen so eine Basis für eine erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie. Dies zeigt das Beispiel der Elektrifizierung des Energiesystems. Dazu gehören die chemische Energiespeicherung, um die Energieverfügbarkeit zeitlich und örtlich zu flexibilisieren, und die Defossilisierung der Grundchemikalien, etwa die elektrochemische Wasserstoffherstellung und die CO2-Reduktion.Bei diesen Reaktionen sind Membranelektrodeneinheiten (MEA) und Gasdiffusionselektroden (GDE) wichtig. Die Zusammensetzung und Struktur von MEAs und GDEs sind komplex und erfordern, viele Parameter zu berücksichtigen, darunter die Art der Membran, Hydrophilie, Porosität und Leitfähigkeit, um die Leistung der Elektroden zu beeinflussen (<link href="#nadc20234138977-fig-0001">Abbildung links). Sogar bei Verwendung desselben Katalysatormaterials wurden je nach MEA-oder GDE-Set-up unterschiedliche Reaktivitäten festgestellt. Um eine optimale Test- und Evaluierungsmethode für diese Systeme zu sichern, ist das Bewerten dieser Struktur- und Testparameter unumgänglich.1–3)<figure xml:id="nadc20234138977-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/QnPly29R7OfZxZ9LCL1c"><figcaption><label>Abb.1: </label>Herzstücke eines Elektrolyseurs: a) Funktion einer Gasdiffusionselektrode (GDE). b) rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer GDE; farbig: Gasdiffusionslage (GDL) und Katalysatorschicht (CL). c, d) Foto und Schema eines Zero-Gap-Elektrolyseurs. Alle Abbildungen: Mike Henning, Fraunhofer Umsicht</figcaption></figure></figure>Der finale Nachweis der Leistungsfähigkeit eines Katalysators lässt sich nur im System erbringen, also etwa in Vollzellmessungen.4) Hierbei sind Vollzellpotenzial und ohmscher Zellwiderstand oder Spannungsabfall mindestens ebenso wichtig wie der meist im wissenschaftlichen Fokus befindliche Katalysator.Für Langzeituntersuchungen, bei denen CO2-Elektrolyseure ähnlich wie H2-Elektrolyseure mit alkalischer Elektrolyse über Protonenaustauschmembranen (AEM/PEM) mehr als 50 000 Stunden arbeiten sollen, lassen sich ähnliche Zerfallswerte als Richtwerte verwenden. So sollte der Faraday-Wirkungsgrad für einen bestimmten Prozess so hoch wie möglich (&gt; 80 %) und über längere Zeit stabil sein, sich also um weniger als 0,1 % pro Stunde ändern. Dazu gehören minimale Spannungsabfallraten (&lt; 10 µV·h–1), um die Systemstabilität zu gewährleisten.5)Eine zusätzliche Schwierigkeit bei industriellen Elektrolysesystemen: Ein Betrieb bei Raumtemperatur ist nicht realistisch. Elektrolyseure erhitzen sich im Betrieb, und eine Kühlung auf Raumtemperatur ist technisch und wirtschaftlich ineffizient. Neu entwickelte Katalysatoren, Elektroden und Membranen müssen daher Belastungstests bei Temperaturen zwischen 60 und 90 °C durchlaufen.<h2 type="main">Verborgene Zusammenhänge</h2>Vergleichende Experimente mit unabhängig voneinander hergestellten Elektroden müssen zentraler und notwendiger Bestandteil publizierter Forschung sein.6) Dabei treten häufig scheinbare Nichtreproduzierbarkeiten auf. Deren Hintergrund aufzuklären bietet das Potenzial, bisher unbekannte verborgene Zusammenhänge zu entdecken, die bei der Entwicklung von Materialien und Elektroden übersehen werden. Beispiele hierfür sind das Quantifizieren von CO2 aus Anoden- und Kathodengasströmen, um die Produktzusammensetzung zu bestimmen, das Verstehen von Crossover-Effekten und die Bereitstellung von Informationen zur Elektrodenstruktur wie Adhäsion, Porosität und Hydrophobizität.7–12)Um dieses Verständnisdefizit zu überwinden, sind gemeinschaftlich kohärente Arbeitsabläufe zu entwickeln – um Ursache-Wirkungs-Korrelationen aufzuklären und diese auf physikalische Parameter zurückzuführen. Diese sollten für jeden Elektrokatalysator, für die Herstellung von Aktivmaterialien und Elektroden sowie für Tests entwickelt werden.Alle Informationen, einschließlich unerwarteter, augenscheinlich negativer Ergebnisse wie strukturelle Alterung und Auflösung, müssen so lange dokumentiert werden, bis möglichst alle verborgenen Parameter bekannt sind und die Designkette verstanden ist. Erst dann lassen sich Materialien und Elektroden quantitativ miteinander vergleichen, die beispielsweise aus komplementären Herstellungsprozessen stammen und daher geringfügige Unterschiede in Zusammensetzung und Struktur aufweisen. Beim Datenbereitstellen ist das Fair-Prinzip (findable, accessible, interoperable, reuseable) zu beachten. Initiativen, die eine Forschungsdateninfrastruktur etablieren wollen, müssen unterstützt werden.13)Neben diesen Einflussgrößen sind weitere Parameter für eine technische Umsetzung wichtig, die regelmäßig nicht untersucht werden (<link href="#nadc20234138977-fig-0002">Abbildung oben).<figure xml:id="nadc20234138977-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/h5BEbie0QlmryjLui2sH"><figcaption><label>Abb.2: </label>Multi-Komponenten-System: Untersuchungsparameter, CO2- Quelle, Skalierbarkeit des Reaktordesigns, nachfolgende Reinigung – jedes Detail beeinflusst die industrielle CO2-Reduktion.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Qualität der Startmaterialien</h2>Für die Untersuchungen zur CO2-Reduktion verwenden die meisten Forschungsarbeiten ultrareine Gase. In industriellen CO2-Strömen liegt das Kohlendioxid allerdings üblicherweise verdünnt vor. Zudem enthalten diese Gase Verunreinigungen, welche die CO2-Umwandlungsaktivität ändern und die Katalysatoren vergiften können.14–17) Die Anfälligkeit der Startmaterialien zu untersuchen ist wichtig, um robuste elektrochemische Systeme mit mehr als 50 000 Betriebsstunden in Industrieanlagen zu etablieren.Solche Studien sind nicht für alle Katalysatoren erforderlich, insbesondere dann nicht, wenn Struktur-Aktivitätsbeziehungen oder mechanistische Details aufgeklärt werden sollen. Jedoch müssen Hypothesen zu neuen Materialien mit dem Anspruch industrieller Relevanz durch Stabilitätsmessungen für reale Szenarien, einschließlich Gasgemischen, untermauert werden.15,17,18)<h2 type="main">Produktreinigung</h2>Die Möglichkeit, Produktgemische zu trennen, muss ebenfalls Teil der Leistungsbewertung sein.Es muss klar sein, dass jedem Elektrolysestapel für CO2-Reduktionen oder elektroorganische Synthesen ein komplexes System von Trenn- und Reinigungseinheiten nachgeschaltet ist. Wenn es gelingt, nicht nur konzentrierte, sondern auch anwendungstechnisch realistisch trennbare Produktgemische zu erhalten, wird dies erleichtern, die Elektrolyse in der chemischen Industrie einzuführen.19)<h2 type="main">Elektrolysezellen</h2>In der Fülle der Veröffentlichungen zu elektrochemischen Umwandlungen gibt es einen Konsens: Der Katalysator ist kein isolierter Teil eines Systems und muss in eine optimale hierarchische Elektrodenstruktur integriert werden. Ebenso ist jedoch ein optimierter Reaktionsaufbau erforderlich, um das Potenzial des Katalysators auszuschöpfen, so dass die vor allem mit MEAs und GDEs erzielten Ergebnisse immer ein Spiegelbild des gesamten Systems, der Vollzelle, sind.Obwohl es kommerzielle Zellkonzepte gibt, wurde bisher nur in wenigen Berichten untersucht, wie unterschiedliche Testaufbauten auf Stabilität und Leistung wirken. Diese Wissenslücke hat auch zu einem Mangel an Versuchsprotokollen für das Optimieren des Aufbaus geführt, etwa für die Zellkompression, die Struktur des Strömungsfelds, die Bestimmung des Wassergehalts und das Wassermanagement. Dadurch ergeben sich über die Entwicklung von Katalysatoren und GDEs hinaus neue Forschungs- und Kooperationsmöglichkeiten.20–22)Bei der Entscheidung, welche Reaktionen zu beobachten sind, ist es wichtig, dass Wissenschaftler:innen sich der Wechselwirkungen zwischen Anode und Kathode bewusst sind. Die Chemie an Anode, Membran und Elektrolyt beeinflusst die Kathode und umgekehrt. Ohne Referenzdaten ist daher jeder Vergleich von Anoden- und Kathodenmaterialien mit der Literatur obsolet.23)Die Effizienz eines Elektrolyseaufbaus lässt sich nur mit allgemein anerkannten, in allen Laboratorien verwendeten Vergleichselektroden validieren. Nur wenn eine solche Referenz häufig verwendet wird und Daten zur Verfügung gestellt werden (siehe Fair-Prinzipien), können Wissenschaftler:innen damit beginnen, unabhängige Studien über Katalysatoren sowie MEAs und GDEs zu vergleichen.6)<h2 type="main">Skalierbarkeit</h2>Bei allen Diskussionen zu Leistungsparametern ist unmittelbar die Skalierbarkeit der jeweiligen Komponenten zu bedenken (<link href="#nadc20234138977-fig-0003">Abbildung links). Ein Material, das nur im Mikrogramm-Maßstab in der geforderten Morphologie oder Reinheit zur Verfügung steht, ist für eine spätere industrielle Nutzung unbrauchbar – auch wenn es ein hervorragendes Modellmaterial für die Grundlagenforschung sein kann.<figure xml:id="nadc20234138977-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/rkB0mjQtmMqBbq8CicRA"><figcaption><label>Abb.3: </label>Katalysatoren sollen in optimierten Reaktoren getestet werden. Produktion und Testung in anwendbaren Elektrolysestacks und Demonstratoren erlauben Einblicke in eine großskalige Anwendung.12,22)</figcaption></figure></figure>Für die Verarbeitung und Prozessierung von Materialien für elektrochemische Prozesse empfehlen wir, die Skalierbarkeit von Anfang an zu berücksichtigen, einschließlich der frühzeitigen Einbindung von Verfahrens- und Produktionstechnik. Tausende Quadratkilometer Elektroden lassen sich nur im Schulterschluss zwischen den Natur- und Ingenieurwissenschaften realisieren, etwa durch die Entwicklung skalierbarer Syntheseverfahren sowie kontinuierlicher und automatisierter Sprühbeschichtungs- und Rolle-zu-Rolle-Prozesse.24,25)Da es sich bei Elektrokatalysatoren häufig um Nanomaterialien handelt, sind funktionale Partikel im Sub-µm-Bereich herzustellen und zu handhaben. Dazu gehört die für die Beschichtung und Trocknung nötige Kolloidverfahrenstechnik, die gleichzeitig angegangen werden muss.4,26)Trotz guter Ansätze sehen wir weltweit auf dem Gebiet der Elektrochemie einen großen Nachholbedarf.Ein anwendungsnaher wichtiger Schritt wäre etwa, Benchmark-Kriterien für spezialisierte Themenfelder der Elektrochemie festzulegen (<link href="#nadc20234138977-fig-0004">Abbildung oben). Indem Erwartungen an eine kommerzielle Lösung und (leistungs)technische Vorbehalte klar formuliert werden, lassen sich Forschungsvorhaben an Problemstellungen orientieren.<figure xml:id="nadc20234138977-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/wAtQWKYDQZGd8SoFzqGn"><figcaption><label>Abb.4: </label>Um elektrochemische Methoden in der Industrie zu etablieren, sind Kommunikation und Zusammenarbeit notwendig. Gemeinsam lassen sich so manche Puzzles lösen.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Die enge Zusammenarbeit zwischen akademischer und industrieller Forschung in Deutschland ist ein wichtiger Standortvorteil.Tausende Quadratkilometer Elektroden lassen sich nur von Natur- und Ingenieurwissenschaften gemeinsam realisieren.Ein anwendungsnaher Schritt wäre, Benchmark-Kriterien für Themenfelder der Elektrochemie festzulegen.<h2 type="main">Die Autoren und Autorinnen</h2>Den Beitrag haben Daniel Siegmund, Corina Andronescu, Christof Schulz, Harry Hoster, Doris Segets und Ulf-Peter Apfel verfasst. Siegmund leitet am Fraunhofer Institut Umsicht eine Nachwuchsgruppe. Andronescu leitet als Juniorprofessorin an der Universität Duisburg-Essen die Gruppe für elektrochemische Katalyse. Beide leiten im Rahmen des BMBF-Programms Nano Mat Futur eine Nachwuchsgruppe. Schulz leitet seit dem Jahr 2004 die Arbeitsgruppe reaktive Fluide am Institut für Energie- und Materialprozesse der Universität Duisburg-Essen und ist seit 2009 wissenschaftlicher Direktor des Nano- Energie- Technik- Zentrums Netz in Duisburg. Hoster ist Professor für Energietechnik an der Universität Duisburg-Essen und wissenschaftlicher Leiter des Zentrums für Brennstoffzellentechnik ZBT. Segets leitet seit 2021 den Lehrstuhl für Partikeltechnik an der Universität Duisburg-Essen. Apfel hat seit dem Jahr 2019 eine Professur an der Ruhr-Universität Bochum inne und leitet die Abteilung Elektrosynthese bei Fraunhofer Umsicht.<ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20234138977-bibl-0001" style="numbered"><li xml:id="nadc20234138977-bib-0001">1 I. E. L. Stephens, K. Chan, A. Bagger et al., J. Phys. Energy, 2022, 4, 42003</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0002">2 D. Siegmund, S. Metz, V. Peinecke et al, JACS Au, 2021, 1, 527</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0003">3 A. Gawel, T. Jaster, D. Siegmund et al., iScience 2022, 25, 104011</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0004">4 R. Neugebauer, Wasserstofftechnologien, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2022</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0005">5 S. Bhandari, P. V. Narangoda, S. O. Mogensen, M. F. Tesch, A. K. Mechler, ChemElectroChem, 2022, 9, e202200</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0006">6 B. Seger, M. Robert, F. Jiao, Nat Sustain. 2023, doi: 10.1038/s41893–022–01034-z</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0007">7 G. O. Larrazábal, M. Ma, B. Seger, Acc. Mater. Res. 2021, 2, 220</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0008">8 G. O. Larrazábal, P. Strøm-Hansen, J. P. Heli et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 41281</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0009">9 A. B. Moss, S. Garg, M. Mirolo et al., Joule, 2023, 7, 350</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0010">10 T. Jaster, S. Albers, A. Leonhard et al., JPhys. Energy 2023, 5, 24001</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0011">11 T. Jaster, A. Gawel, D. Siegmund et al., iScience 2022, 25, 104010</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0012">12 K. junge Puring, D. Siegmund, J. Timm et al., Adv. Sustainable Syst. 2021, 5, 2000088</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0013">13 M. Boeckhout, G. A. Zielhuis, A. L. Bredenoord, Eur. J. Hum. Genet. 2018, 26, 931</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0014">14 W. Luc, B. H. Ko, S. Kattel et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9902</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0015">15 B. H. Ko, B. Hasa, H. Shin et al., Nat. Commun. 2020, 11, 5856</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0016">16 S. Overa, B. H. Ko, Y. Zhao, F. Jiao, Acc. Chem. Res. 2022, 55, 638</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0017">17 U. Legrand, U.-P. Apfel, D. C. Boffito, J. R. Tavares, J. CO2 Util. 2020, 42, 101315</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0018">18 N. J. Harmon, H. Wang, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2022, 61, e202213782</li><li xml:id="nadc20234138977-bib-0019">19 T. Moore, D. I. Oyarzun, W. 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