Vielversprechende Materialien für die Wasserstoffspeicherung
Wasserstoff ist ein emissionsfreier Energieträger, der eine wichtige Rolle im künftigen kohlenstoffarmen Energie- und Verkehrssektor in Europa spielen wird. Es kann auch elektrochemisch oxidiert werden, um elektrische Energie und – als einziges Nebenprodukt dieses Verfahrens – Wasser zu erzeugen. Trotz der hohen Energiedichte von Wasserstoff ist die Nutzung von Wasserstoff-Brennstoffzellen für mobile Anwendungen eine Herausforderung, da Speichersysteme ineffektiv und schwierig in der Handhabung sind. Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der EU und Indien befasste sich das EU-finanzierte Projekt HYPOMAP (New materials for hydrogen powered mobile applications) mithilfe von Computermodellierung von verschiedenen Materialien mit dem Problem der Wasserstoffspeicherung. Der Schwerpunkt lag auf den Wechselwirkungen und Reaktionen von Wasserstoffmolekülen mit festen Oberflächen. Wasserstoff kann durch Chemisorption und Physisorption gespeichert werden. Bei der Chemisorption wird Wasserstoff gespalten und die Wasserstoffatome durch chemische Bindungen im Wirtsmaterial absorbiert. Bei der Physisorption wird Wasserstoff physikalisch im Wirtsmaterial absorbiert. Das Speichern von Wasserstoff in einem Bulk-Material, entweder durch Chemisorption oder Physisorption, bietet die Möglichkeit, Wasserstoffgas sicher und mit höherer Dichte zu speichern. Die Wissenschaftler erhöhten die Wasserstoff-Adsorptionsenthalpie durch die Einführung von Kationen in Metallhydriden und metall-organischen Gerüsten. Ein weiterer Ansatz war, Defekte in Nanostrukturen einzubauen, die stark mit den adsorbierten Wasserstoffmolekülen interagieren würden. Die Wissenschaftler bestimmten auch die gravimetrische und volumetrische Wasserstoffspeicherkapazität von Amminboranen – einem anderen Bulk-Speichermaterial. Aufgrund der geringen Masse von Bor- und Stickstoffatomen wiesen sie eine sehr hohe gravimetrische Speicherkapazität auf. Der Wasserstoff kann somit leicht durch Thermolyse freigegeben werden. Die Wissenschaftler untersuchten auch geeignete Katalysatoren, die die Wasserstofffreisetzung aus Amminboranen steuern. Das Projekt legte einen Fokus auf das Spillover – eine Art der Speicherung von dissoziiertem molekularem Wasserstoff durch Chemisorption – an einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren. Solche Materialien wiesen die bestmöglichen gravimetrischen und volumetrischen Wasserstoffspeicherkapazitäten auf. Darüber hinaus identifizierte das Projekt Teile, die als neue Konstruktionselemente für Flüssig- oder Feststoffspeichermaterialien mit einer außergewöhnlichen Affinität zu molekularem Wasserstoff dienen. HYPOMAP organisierte einen Sommerkurs, mehrere Workshops und Konferenzen und die Ergebnisse wurden in 48 Artikeln in internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht.
Schlüsselbegriffe
Materialien, Wasserstoffspeicher, mobile Anwendungen, Metall-organische Gerüste, Amminboran
