Energie speichern mit Stickstoffketten

Ein inter­nationales Forschungs­team unter der Leitung von Wissen­­schaftlern der Univer­sität Bayreuth hat erstmals chemische Verbindungen hergestellt, die Polymer­­ketten enthalten, die nur aus Stickstoff aufgebaut sind. Derartige Nitride besitzen eine unge­wöhnlich hohe Energie­­dichte und eröffnen damit ganz neue Perspek­tiven für künftige Techno­logien der Speicherung und Übertragung von Energie. Bei der Synthese der Stickstoff­­verbindungen kamen Techno­­logien der Hochdruck- und Hoch­temperatur­­forschung zum Einsatz, die an der Universität Bayreuth entwickelt worden sind.

Kristallstruktur von ReN8·xN2: Diese Sticksotffverbindung eröffnet neue Möglichkeiten für die Energie­speiche­rung. (Bild: M. Bykov, U. Bayreuth)

Nitride bilden eine für die Forschung hoch­­interessante Klasse anor­ganischer Materi­alien, weil sie oft heraus­­ragende physikalische und chemische Eigen­­schaften besitzen. So zeichnen sich Übergangs­metall­­nitride in vielen Fällen durch eine außer­­ordent­liche Härte, hohe Schmelz­punkte und eine unge­wöhnliche Stabilität aus. Derartige Stickstoff­­verbindungen zu synthe­tisieren, ist allerdings sehr schwierig. Unter normalen Umgebungs­­bedingungen kommt Stickstoff haupt­­sächlich als zwei­atomiges Gas vor, das nur mit wenigen anderen Elementen chemische Verbindungen eingeht. Die größte Hürde bei der Herstellung stickstoff­­reicher Verbindungen besteht darin, dass die zwei Stickstoff­­atome in N2 durch eine Dreifach­­bindung verknüpft sind, die unter außer­ge­wöhnlich hohen Temperaturen aufge­brochen werden muss. Wie hoch, hängt im Einzelfall von der jeweiligen stickstoff­­haltigen Verbindung ab, die synthe­tisiert werden soll.

Die Bayreuther Wissen­schaftler haben diese Hürde jetzt erstmals überwinden können. Mit Techno­­logien der Hochdruck­­forschung haben sie eine Versuchs­­umgebung geschaffen, in der sich die Synthese stick­stoff­­reicher Verbin­­dungen gezielt steuern lässt. In einer mit Stick­stoff gefüllten Diamant­­stempel­zelle wurde pulver­­förmiges Eisen und in einer weiteren Versuchs­reihe pulver­­förmiges Rhenium einem Druck von mehr als einer Million Atmo­sphären ausgesetzt. Zugleich wurden diese Material­proben durch einen Laser­heizer auf rund 1500 Grad erhitzt. Anhand von Röntgen­beugungs­­mustern haben die Wissen­­schaftler beobachtet, wie unter diesen Bedingungen ungewöhn­liche Verbin­dungen entstehen.

Aus Eisenpulver und Stickstoff bildet sich in der Diamant­stempel­­zelle das Eisen­nitrid FeN4 Es zeichnet sich durch Ketten von Stickstoff­­atomen aus, in denen sich Doppel- und Einfach­bindungen zwischen Stickstoff­­atomen abwechseln. Aus Rhenium und Stick­stoff entwickelt sich hingegen eine sehr ungewöhn­liche Verbindung mit der Summen­­formel ReN8·xN2. Dieser Poly­nitrid besitzt nicht nur Polymer­­ketten, die allein aus Stickstoff aufgebaut sind. Er enthält darüber hinaus Kanäle, in denen sich N2-Moleküle einnisten, ohne dass es dabei zu starken Wechsel­­wirkungen zwischen diesen Gast-Molekülen und der aus ReN8 bestehenden Rahmen­­struktur kommt. Die beiden Verbin­dungen repräsen­tieren eine neue Klasse von Stickstoff­­verbindungen: Metall-Stickstoff-Gerüste.

Diese Stickstoff­verbindungen sind im Hinblick auf die künftige Energie­­forschung und Energie­technologie vor allem deshalb von großem Interesse, weil sie eine hohe Energiedichte aufweisen. So ist die Energie­­dichte von ReN8·xN2 um ein Vielfaches höher als die Energiedichte des Spreng­­stoffs TNT (Trinitro­toluol). „Die Forschungs­­ergebnisse, die wir jetzt in enger inter­nationaler Kooperation erzielt haben, könnten sehr bald schon zum Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Materialien werden, die einen entschei­denden Beitrag zur Energie­­versorgung der Zukunft leisten. Denn der Anteil erneuer­barer Energien wird sich nur signifikant steigern lassen, wenn es gelingt, hinreichend hohe und zugleich flexible Speicher­­kapazitäten zu schaffen“, erklärt Leonid Dubro­vinsky vom Bayerischen Geo­institut der Universität Bayreuth, der an den neuen Studien maßgeb­lich beteiligt war. (Quelle: U. Bayreuth / pro-physik.de)

Referenz: M. Bykov et al.: High-pressure synthesis of a nitrogen-rich inclusion compound ReN8·x N2 with conjugated polymeric nitrogen chains. Ang. Chem. Int. Ed. 57, 9048 (2018). DOI: 10.1002/anie.201805152

Link: Bayerisches Geoinstitut – Forschungsinstitut für Experimentelle Geochemie und Geophysik (BGI), Universität Bayreuth

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