Fortgeschrittene Wasserstoffspeichermaterialien auf Magnesiumbasis und ihre Anwendungen

17.08.2023 - China

Als Energieträger hat Wasserstoff die herausragenden Vorteile einer hohen gravimetrischen Energiedichte, eines hohen Vorkommens und der Emissionsfreiheit, doch seine effektive Speicherung und sein Transport sind nach wie vor ein Engpass für die weit verbreitete Anwendung von Wasserstoffenergie. Um dieses Problem zu lösen, wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene Arten von Wasserstoffspeichermaterialien entwickelt und sorgfältig untersucht. Unter ihnen gilt Magnesiumhydrid (_MgH2) als eines der vielversprechendsten Wasserstoffspeichermaterialien, da es eine hohe Kapazität, eine ausgezeichnete Reversibilität, ausreichende Magnesiumreserven und niedrige Kosten aufweist. Die schlechten thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften von _MgH2 schränken jedoch seine praktischen Anwendungen ein (die Enthalpie der Wasserstoffdesorption beträgt 74,7 kJ ^mol-1_H2 und die Desorptionsenergiebarriere liegt bei 160 kJ ^mol-1_H2). Legierung, Katalyse und Nanostrukturierung wurden vorgeschlagen und angewandt, um die oben genannten Nachteile zu überwinden. Unter diesen Strategien kann die Einführung von Katalysatoren die lokale elektronische Konfiguration von _Mg/MgH2 verändern und die Energiebarriere für die_{H2-Dissoziation/Rekombination} verringern. Die nanostrukturierten Materialien auf Mg-Basis haben den Vorteil, dass sie den Diffusionsweg verkürzen und die Reaktionsfläche an der Oberfläche vergrößern, wodurch die Wasserstoffabsorptions- und -desorptionsrate erheblich beschleunigt werden kann. Die Idee, nanostrukturierte Kern-Schale-Materialien zur Wasserstoffspeicherung auf Mg-Basis zu entwickeln, zielt darauf ab, die Stärken der beiden oben genannten Modifizierungsmethoden zu kombinieren. Durch eine solche Strategie können fortschrittliche Mg-basierte Materialien mit Kern-Schale-Nanostrukturen konstruiert und optimiert werden, die sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen vielversprechend sind.

Eine neue Übersichtsarbeit des Teams von Professor Jianxin Zou an der Shanghai Jiao Tong University fasst den Forschungsfortschritt auf dem Gebiet der Wasserstoffspeichermaterialien auf Magnesiumbasis mit Kern-Schale-Nanostrukturen zusammen und wurde in der Zeitschrift Industrielle Chemie und Werkstoffe veröffentlicht, die sich vor allem mit den Herstellungsverfahren, Mikrostrukturen, Eigenschaften und den damit verbundenen Mechanismen befasst. Ziel ist es, die Konstruktionsprinzipien und künftigen Forschungstrends von Wasserstoffspeichermaterialien auf Mg-Basis für industrielle Anwendungen aufzuzeigen.

Wasserstoffspeichermaterialien auf Mg-Basis mit Kern-Schale-Nanostruktur weisen eine ausgezeichnete Wasserstoffabsorptions- und -desorptionskinetik sowie eine langfristige Zyklusleistung auf. Darüber hinaus verleiht diese einzigartige Struktur den Verbundwerkstoffen einige einzigartige Eigenschaften, wie z. B. die Fähigkeit zur Oxidation durch Luft, eine schnelle Hydrolysegeschwindigkeit usw. In Anbetracht der obigen Ausführungen entwirft die Gruppe von Zou eine vielversprechende Vision für die Verwendung von Kern-Schale-Nanostrukturen auf Mg-Basis als Wasserstoffspeicher in der Zukunft. Umweltfreundlicher grüner Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonnen- und Windenergie gewonnen werden, und der Wasserstoff wird in einem festen Wasserstoffspeicher auf Mg-Basis gespeichert. Nanostrukturierte Kern-Schale-Materialien auf Mg-Basis können Wasserstoff bei einer relativ niedrigen Temperatur absorbieren und desorbieren, was den Energieverbrauch bei der Speicherung und Freisetzung von Wasserstoff erheblich reduziert. Das Speichersystem, das Wasserstoff durch Pyrolyse oder Hydrolyse erzeugt, könnte Wasserstoff für Brennstoffzellen zur Stromerzeugung, für kleine tragbare Notstromaggregate, für die Industrie usw. liefern. Kürzlich wurde ein tonnenschwerer Anhänger für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff auf Mg-Basis (MH-100T) offiziell vorgestellt, der mit 12 Tanks für die Speicherung von Wasserstoff und 14,4 Tonnen poröser Legierungspellets auf Mg-Ni-Basis ausgestattet ist und eine neue Ära für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff in fester Form einleitet. Künftig können Materialien auf Mg-Basis mit Kern-Schale-Nanostruktur, die bessere Wasserstoffsorptionseigenschaften aufweisen, wie z. B. eine niedrigere Wasserstoffdesorptionstemperatur, eine schnellere Sorptionsgeschwindigkeit und eine höhere Speicherkapazität, eingesetzt werden, um die Leistung von Wasserstoffspeichersystemen auf Mg-Basis weiter zu verbessern und ihre Anwendungsbereiche in der Wasserstoffindustrie zu erweitern.

Wasserstoffspeichersysteme auf Mg-Basis haben aufgrund ihrer hohen Wasserstoffspeicherdichte, ihres guten zyklischen Verhaltens und des großen Vorkommens von Mg auf der Erde viel Aufmerksamkeit für mögliche Anwendungen als Wasserstoffträger auf sich gezogen. Die Senkung der Wasserstoffdesorptionstemperatur auf einen Bereich, der mit der Abwärme eines Brennstoffzellenstapels kompatibel ist (etwa 60-150 ^oC), ist derzeit wahrscheinlich das wichtigste Ziel der Forschung an nanostrukturierten Wasserstoffspeichermaterialien. Die größte Herausforderung besteht jedoch nach wie vor darin, dass es derzeit nicht möglich ist, Kinetik, Thermodynamik und zyklische Leistungen auf einfache und effiziente Weise gleichzeitig zu kontrollieren. Viele experimentelle und theoretische Untersuchungen haben den Zusammenhang zwischen Kern-Schale-Strukturen und verbesserten Wasserstoffsorptionseigenschaften von _Mg/MgH2 gezeigt. Es ist besonders wichtig, die optimalen Verarbeitungsparameter und technischen Wege zu finden, um fortschrittliche Kern-Schale-Nanostrukturen von _{Mg/MgH2-Nanopartikeln} mit kleineren Größen und besseren katalytischen Hüllen zu synthetisieren, um ihre Wasserstoffspeichereigenschaften zu verbessern und die Vorteile und Kosten abzuwägen, damit sie den Anforderungen für industrielle Anwendungen gerecht werden. Darüber hinaus müssen in Zukunft neue Konstruktionsprinzipien für verschiedene spezifische nanostrukturierte Wasserstoffspeichermaterialien entwickelt werden, z. B. die genaue Kontrolle der katalytischen Wirkung im _{Mg/MgH2-Gitter} auf atomarer Ebene, die Zusammensetzung und die strukturelle Optimierung mit Hilfe der Material-Genom-Engineering-Methode, usw.

"In dieser Übersichtsarbeit möchten wir den Lesern den neuesten Stand der Forschung und Entwicklung fortschrittlicher Wasserstoffspeichermaterialien auf Mg-Basis und ihre Zukunftsaussichten auf dem Gebiet der Wasserstoffenergie vorstellen", so Zou.

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