Neue Flüssigkeit kann den Transport und die Speicherung von Wasserstoff vereinfachen
Statt sich auf Hochdrucktanks oder superkalte Flüssigkeiten zu verlassen, könnte die Industrie stabile, leicht zu handhabende Wasserstoffträger bei Raumtemperatur verwenden
Forscher der EPFL und der Universität Kyoto haben eine stabile, wasserstoffreiche Flüssigkeit entwickelt, die durch die Mischung zweier einfacher Chemikalien entsteht. Dieser Durchbruch könnte die Speicherung von Wasserstoff bei Raumtemperatur einfacher, sicherer und effizienter machen.
Wasserstoff kann der saubere Treibstoff der Zukunft sein, aber es ist nicht einfach, ihn vom Labor in den Alltag zu bringen. Die meisten wasserstoffreichen Materialien sind bei Raumtemperatur fest, oder sie werden nur unter extremen Bedingungen wie hohem Druck oder Gefriertemperaturen flüssig.
Selbst Materialien wie Ammoniakboran, eine feste, wasserstoffreiche Verbindung, die viel Wasserstoff speichern kann, sind schwierig, weil sie Wasserstoff nur bei Erhitzung freisetzen, wobei oft unerwünschte Nebenprodukte entstehen.
Die Herstellung einer wasserstoffreichen Flüssigkeit, die bei normalen Temperaturen stabil bleibt, könnte die Speicherung und den Transport von Wasserstoff wesentlich erleichtern. Tatsächlich gibt es Bestrebungen, die Wasserstoffspeicherung zu verbessern, indem man die chemische Zusammensetzung der derzeitigen Speichermaterialien verändert oder Stoffe hinzufügt, die eine leichtere Freisetzung des Wasserstoffs ermöglichen.
Ein vielversprechender Bereich sind tief eutektische Lösungsmittel (DES), d. h. Mischungen, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen als ihre Bestandteile. Dies ist für die Wasserstoffspeicherung wichtig, da DESs feste wasserstoffreiche Materialien bei viel niedrigeren Temperaturen in leicht zu handhabende Flüssigkeiten verwandeln können. Bislang wurden jedoch in keinem dieser DESs Hydridkomponenten verwendet, die besonders wasserstoffreich sind und neue Möglichkeiten eröffnen könnten, mehr Wasserstoff in flüssiger Form zu speichern.
Wissenschaftler aus den Gruppen der Professoren Andreas Züttel an der EPFL und Satoshi Horike an der Universität Kyoto haben das erste Beispiel für ein DES auf Hydridbasis entwickelt: eine transparente, stabile wasserstoffreiche Flüssigkeit, die bei Raumtemperatur flüssig bleibt. Das neue DES kann bis zu 6,9 Gewichtsprozent Wasserstoff enthalten und übertrifft damit mehrere technische Ziele für die Wasserstoffspeicherung, darunter die vom US-Energieministerium für 2025 gesetzten.
Zur Herstellung des neuen DES mischten die Forscher Ammoniakboran und Tetrabutylammoniumborhydrid in unterschiedlichen Mengen, um festzustellen, welche Kombination(en) bei Raumtemperatur flüssig bleiben würden. Das richtige Verhältnis (zwischen 50 % und 80 % Ammoniakboran) ergab eine stabile Flüssigkeit, die amorph blieb, d. h. sie bildete auch bei kalten Temperaturen keine Kristalle mehr.
Mit Hilfe der Spektroskopie bestätigten die Forscher, dass die Moleküle starke Wasserstoffbrückenbindungen bildeten, die ihre übliche feste Struktur aufbrachen und die Mischung bis zu minus 50 °C flüssig hielten. Tests zeigten, dass die neue Flüssigkeit Wasserstoff freisetzen kann, wenn sie auf nur 60 °C erhitzt wird, was viel niedriger ist als bei den meisten wasserstoffreichen Feststoffen. Dies bedeutet, dass der Wasserstoff leichter und effizienter zugänglich ist, was die Speicherung und Verwendung in der Praxis wesentlich praktischer macht.
Durch Mischen von Ammoniakboran mit Tetrabutylammoniumborhydrid entsteht eine neue, wasserstoffreiche Flüssigkeit, die unter normalen Bedingungen nicht kristallisiert. Der Glasübergang, d. h. der Zeitpunkt, an dem die Flüssigkeit glasig wird, liegt bei -50 °C, also weit unter unseren Alltagsbedingungen.
Das Gemisch bleibt wochenlang stabil, wenn es trocken gelagert wird, und seine Dichte gehört zu den niedrigsten, die für ähnliche Flüssigkeiten bekannt sind. Beim Erhitzen wird reines Wasserstoffgas bei relativ niedrigen Temperaturen freigesetzt, ohne dass viele Verunreinigungen entstehen. Nur der Ammoniak-Boran-Anteil zerfällt zuerst, was bedeutet, dass Teile des Gemischs wiederverwendet werden könnten.
Dieses neue DES könnte die Speicherung und den Transport von Wasserstoff wesentlich einfacher und sicherer machen. Statt sich auf Hochdrucktanks oder superkalte Flüssigkeiten zu verlassen, könnte die Industrie stabile, leicht zu handhabende Wasserstoffträger bei Raumtemperatur verwenden.
Über die Wasserstoffspeicherung hinaus könnten diese Ergebnisse zu neuen maßgeschneiderten Flüssigkeiten für andere Verwendungszwecke führen, z. B. für die chemische Produktion oder grüne Energie. Die Entdeckung eröffnet neue Wege sowohl für die Wasserstoffforschung als auch für die praktische Energietechnik.
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