Flüssiger Speicher für Wasserstoff

Daniel Forberg arbeitet an der Universität Bayreuth an effizienteren Speichern für Wasserstoff. (Bild: C. Wißler, U Bayreuth)

Daniel Forberg arbeitet an der Universität Bayreuth an effizienteren Speichern für Wasserstoff. (Bild: C. Wißler, U Bayreuth)

Neue Technologien zur Energie­speicherung gewinnen immer stärker an Bedeutung. Weil der Anteil erneuer­barer Energien an der Energieversorgung steigt, wird es immer wichtiger, wetter­bedingte Engpässe in der Produktion von Sonnen- oder Windkraft­energie dadurch ausgleichen zu können, dass Energie in größerem Umfang gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden kann. Weltweit interessiert sich die Forschung daher für Möglich­keiten, Wasserstoff als Energie­träger zu nutzen.

Ein vielver­sprechender Ansatz sind flüssige organische Wasser­stoffträger (liquid organic hydrogen carriers, LOHC). Hierbei handelt es sich um orga­nische Ver­bindungen, die in der Lage sind, Wasser­stoff aufzunehmen und wieder abzugeben. Prominente Beispiele für solche LOHCs sind N-Hetero­zyklen. Diese kleinen Moleküle bestehen aus Kohlenstoff­ringen, enthalten aber an einer bestimmten Stelle ein Stickstoff- statt eines Kohlenstoff­atoms. Ein bekannter N-Hetero­zyklus ist N-Ethylcarbazol (NEC). Dieses Molekül ist unter geeigneten Tempera­turen und Drücken in der Lage, 12 Wasser­stoff-Atome zu binden und wieder freizusetzen. In beiden Fällen findet eine chemische Reaktion statt, die durch einen Kata­lysator ausgelöst und gesteuert wird.

Eine Forschungs­gruppe um Rhett Kempe an der Universität Bayreuth hat jetzt einen Katalysator entwickelt, der deutlich besser als andere chemische Verbin­dungen geeignet ist, um NEC mit Wasser­stoff zu beladen. Er enthält zwei Metalle, Palladium (Pd) und Ruthenium (Ru), die auf einen Silizium­kohlenstoff­nitrid-Träger (SiCN) aufgebracht wurden. Das Speicher­potenzial der NEC-Moleküle kann mit diesem Kata­lysator sehr weitgehend ausgenutzt werden. Und ebenso ist es mit demselben Kata­lysator möglich, die gebundenen Wasser­stoff-Atome wieder aus den NEC-Mole­külen heraus­zulösen.

„Bisher ist auf dem Gebiet der Wasser­stoff-Speicherung kein anderer Kata­lysator bekannt, der sowohl das Be- als auch das Entladen von NEC-Molekülen mit einer derart hohen Effizienz bewerk­stelligt“, freut sich Daniel Forberg, der als Mitglied des Forschungs­teams maßgeblich zur Entwicklung dieses neuen Instruments für die Wasser­stoff-Speicherung beigetragen hat. Der neue Kata­lysator ermöglichte den Bayreuther Wissen­schaftlern aber noch einen weiteren Forschungs­erfolg. Die flüssigen orga­nischen Wasserstoff­träger (LOHCs), die in der Forschung bisher für die Speicherung von Wasser­stoff eingesetzt wurden, stammen letztlich alle aus fossilen Substanzen wie Kohle und Erdöl, also aus chemischen Verbindungen, deren Vorräte begrenzt sind. Dies gilt auch für N-Ethyl­carbazol (NEC). Dem Team ist es jedoch erstmals gelungen, einen orga­nischen Wasser­stoffträger aus einem nach­wachsenden Rohstoff zu gewinnen. Ein Abfall­produkt der Holzver­arbeitung, das bisher industriell kaum genutzt wird, ist Lignin. Hieraus lässt sich mithilfe eines schon früher in Bayreuth entwickelten Kata­lysators ohne hohen technischen Aufwand Phenazin herstellen. Phenazin-Moleküle bestehen aus drei verketteten Kohlen­stoffringen, wobei im mittleren Ring zwei Kohlen­stoffatome durch Stickstoff­atome ersetzt sind.

Der neue Kata­lysator macht es möglich, 14 Wasser­stoffatome in einem Phenazin-Molekül zu binden und sie bei Bedarf auch wieder freizusetzen. Dieses System der Wasser­stoff-Speicherung übertrifft damit sogar die Wasser­stoff-Speicherung, die mit NEC erzielt werden kann. Denn während der in NEC gebundene Wasserstoff maximal ungefähr 5,8 Gewichts­prozent des gesamten Moleküls ausmacht, werden bei Phenazin 7,2 Gewichts­prozent erreicht. „In unseren weiteren Forschungs­arbeiten werden wir an dieses vielver­sprechende Resultat anknüpfen, um die Potenziale der Wasser­stoff-Speicherung noch weiter auszuloten. Es freut uns sehr, dass in Verbindung mit unserem neuen Kata­lysator ein sehr effi­zientes Speicher­medium zur Verfügung steht, das aus einem nach­wachsenden Rohstoff stammt, der in großen Mengen verfügbar ist und keine Bedeutung als Nahrungs­mittel besitzt“, erklärt Kempe. (Quelle: U Bayreuth)

Referenz: D. Forberg et al.: Single-catalyst high-weight% hydrogen storage in an N-heterocycle synthesized from lignin hydrogenolysis products and ammonia, Nat. Comms. 7, 13201 (2016); DOI: 10.1038/ncomms13201

Link: Lehrstuhl Anorganische Chemie II (R. Kempe), Universität Bayreuth

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