15.02.2022 - U.S. Department of Energy (DOE)

Ein "relativ einfacher" Durchbruch macht den Zugriff auf gespeicherten Wasserstoff effizienter

Neuer Katalysator extrahiert Wasserstoff einfach und effizient aus Wasserstoffspeichern

Ein neuer Katalysator des Ames Laboratory des US-Energieministeriums und seiner Mitarbeiter extrahiert Wasserstoff einfach und effizient aus Wasserstoffspeicherstoffen. Der Prozess findet bei milden Temperaturen und unter normalen atmosphärischen Bedingungen statt, ohne dass Metalle oder Zusatzstoffe verwendet werden. Der Durchbruch stellt eine vielversprechende neue Lösung dar, die ein seit langem bestehendes Problem bei der Einführung von Wasserstoff als Kraftstoff für den Verkehr und andere Anwendungen angeht.

Wasserstoff als Kraftstoff ist eine mögliche Lösung für die landesweiten Bemühungen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Nach Angaben des DOE ist die Verbesserung der Wasserstoffspeicherung der Schlüssel zur Weiterentwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie. Am Ames Laboratory erforschen die Wissenschaftler Long Qi und Wenyu Huang die Gewinnung von Wasserstoff aus einer Klasse von Materialien, die als flüssige organische Wasserstoffträger (LOHCs) bezeichnet werden.

Eine Möglichkeit der Wasserstoffspeicherung ist die chemische Speicherung. Die chemische Speicherung beruht auf Materialien, die mit Wasserstoffmolekülen reagieren und sie als Wasserstoffatome speichern, wie z. B. in LOHCs. Bei dieser Art der Speicherung können große Mengen Wasserstoff in kleinen Volumina bei Umgebungstemperaturen gespeichert werden. Damit der Wasserstoff genutzt werden kann, werden jedoch Katalysatoren benötigt, um LOHCs zu aktivieren und den Wasserstoff freizusetzen. Dieser Prozess wird als Dehydrierung bezeichnet.

Qi erläuterte, dass es derzeit andere Dehydrierungsmethoden gibt, die jedoch einige Probleme mit sich bringen. Einige Methoden beruhen auf Katalysatoren auf Metallbasis, die kritische Platingruppenmetalle enthalten. Die Vorräte an diesen Metallen sind begrenzt und teuer. Andere Methoden erfordern Zusatzstoffe, um den Wasserstoff freizusetzen. Diese Zusätze sind nicht wiederverwendbar und führen zu höheren Gesamtkosten, da sie bei jedem Zyklus neu hinzugefügt werden müssen.

Der von Qi und Huang entwickelte Katalysator kommt ohne Metalle und Zusatzstoffe aus. "Es ist ziemlich einfach", sagte Qi. "Im Grunde muss man nur den metallfreien Katalysator in den LOHC geben, und schon strömt das Wasserstoffgas heraus, sogar bei Raumtemperatur."

Der Katalysator besteht aus Stickstoff und Kohlenstoff. Der Schlüssel zu seiner Effizienz liegt in der Struktur des Stickstoffs. Die katalytische Aktivität kann bei Raumtemperatur stattfinden, weil die einzigartigen, eng beieinander liegenden graphitischen Stickstoffverbindungen, die während des Karbonisierungsprozesses entstanden sind, als Stickstoffanordnung fungieren. Die Stickstoffanordnung katalysiert die Spaltung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (C-H) in LOHCs und erleichtert die Desorption von Wasserstoffmolekülen. Dieser Prozess macht den Katalysator effizienter als andere verwendete Katalysatoren.

Qi und Huang erklärten, dass auf der Grundlage der DOE-Ziele für Fahrzeugtechnologien eine Wasserstoffspeicherkapazität von nahezu 6,5 Gewichtsprozent erforderlich sei. Sie sind optimistisch, was die Zukunft ihrer Forschung angeht, um das Ziel mit Molekülen zu erreichen, die eine größere Kapazität haben.

"Diese Forschung wird sich positiv auf das Ziel der Verringerung der Kohlendioxidemissionen auswirken", sagte Huang, "und wir werden effizientere katalytische Systeme entwickeln müssen."

Im Jahr 2019 entfielen 29 % der gesamten Kohlendioxidemissionen in den USA auf den Verkehrssektor. Qi sagte, dass die Einfachheit und Effizienz dieses Prozesses der Verkehrsindustrie in Zukunft zugute kommen könnte. Die Vorteile ergeben sich aus einer Kombination von LOHCs und einem Katalysator wie diesem. Mit dieser Kombination kann nutzbarer Wasserstoff zu geringeren Kosten und unter milderen Bedingungen als bei den derzeitigen Technologien aus der Speicherung gewonnen werden. Eine höhere Wasserstoffdichte kann eine größere Ladung für Wasserstoffbrennstoffzellen liefern, die Fahrzeuge über größere Entfernungen mit Strom versorgen könnten.

Sowohl Qi als auch Huang betonten, dass diese Forschung ein wichtiger Schritt zur Unterstützung der nationalen Mission ist, bis 2050 kohlenstoffneutral zu werden, indem sie eine einfache und effiziente Möglichkeit zur Dehydrierung von LOHCs bietet.

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