Manganhydrid-Molekularsiebe für die praktische Wasserstoffspeicherung könnten etwa fünfmal weniger kosten als 700-bar-Tanks

Ein internationales Forscherteam hat ein Manganhydrid-Molekularsieb entwickelt, das leicht aus kostengünstigen Vorläufern synthetisiert werden kann und eine reversible Überschussadsorptionsleistung von 10,5 Gew.-% und 197 kgH2m-3 bei 120 bar und Umgebungstemperatur ohne Aktivitätsverlust nach 54 Zyklen zeigt .

Das Team geht davon aus, dass vernünftige Schätzungen der Produktionskosten und des Leistungsverlusts aufgrund der Systemimplementierung dazu führen, dass die Gesamtkosten für die Energiespeicherung etwa fünfmal günstiger sind als die für 700-bar-Tanks, was möglicherweise Türen für eine verstärkte Einführung von Wasserstoff als Energieträger öffnet. Ein Open-Access-Artikel zu ihrer Arbeit ist in der RSC-Fachzeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Für die zukünftige Marktakzeptanz von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen oder tragbaren Geräten muss noch ein effizientes, kostengünstiges und praktisches Wasserstoffspeichersystem und eine Infrastruktur entwickelt werden, die für alle Anwendungen geeignet ist. Um mit einem Brennstoffzellenfahrzeug eine Reichweite von mehr als 500 km zu erreichen, werden etwa 5 kg Wasserstoff benötigt. In den teuren, nicht anpassungsfähigen 700-bar-Wasserstoffgasflaschen aus Kohlefaser, die heute in Wasserstofffahrzeugen der ersten Generation verwendet werden, nehmen 5 kg Wasserstoff ein Volumen von etwa 125 l ein, was unerwünschte Einschränkungen für das Automobildesign mit sich bringt.

Ein materialbasiertes Wasserstoffspeichersystem bietet die Möglichkeit, Wasserstoff bei niedrigeren Drücken mit vereinfachten Anforderungen an das Wärmemanagement zu speichern, was sowohl die Komplexität als auch die Kosten des Bord- und Infrastruktursystems reduzieren kann. Während einige Metallhydride praktische Leistungsniveaus erreichen, verhindern Probleme mit dem Wärmemanagement immer noch ihre Anwendungen.

… Um den Einsatz von Brennstoffzellengeräten in großem Umfang zu ermöglichen, ist ein Material erforderlich, das unter Umgebungsbedingungen über hohe gravimetrische und volumetrische Speicherkapazitäten verfügt und sowohl wirtschaftlich in der Herstellung ist als auch kein aufwändiges Wärmemanagement zum Auftanken erfordert. Ein solches Material könnte auch eine mögliche Alternative zu Li-Batterien in tragbaren Geräten darstellen, wo steigende Kosten und Nachfrage nach Energiespeicherung ein Problem darstellen.

Hier stellen wir ein Manganhydrid-Molekularsieb (KMH-1 = Kubas Manganese Hydride - 1) vor, das in wenigen einfachen Schritten aus kostengünstigen Vorläufern hergestellt werden kann und über eine Wasserstoffspeicherleistung verfügt, die selbst unter Berücksichtigung von Schätzungen zur Systemimplementierung durchaus möglich ist ausreichen, um die endgültigen Systemziele des US-Energieministeriums (DOE) von 6,5 Gew.-% und 50 kgH2/m3 für 5 kg Wasserstoff zu erreichen oder zu übertreffen.

Schematische Darstellung der KMH-1-Nanostrukturbildung durch einen inversen Mizellen-Templatmechanismus, der bei der Selbstorganisation in einem unpolaren Medium erwartet wird. Skipper et al.

In einer Arbeit aus dem Jahr 2012 (Skipper et al.) stellten Forscher fest, dass:

… eine Bindungsenthalpie zwischen Speichermaterial und Wasserstoff zwischen 20 und 30 kJ mol−1 würde das beste Gleichgewicht zwischen Speicherkapazität und der zur Freisetzung des Wasserstoffs erforderlichen Energie ergeben. Um eine Enthalpie in diesem Bereich zu erreichen, können Metalle in die Speichermaterialien eingebaut werden, an die sich H2 auf Kubas-Art binden kann.

Eine Kubas-Wechselwirkung steht im Einklang mit einer Verlängerung der H-H-Bindung ohne Bruch und beinhaltet eine σ-Donation vom gefüllten H-H-σ-bindenden Orbital in ein leeres d-Orbital eines Metalls und gleichzeitige π-Rückbindung von einem gefüllten Metall-d-Orbital in das freie antibindende σ*-Orbital des H2-Moleküls.

Dies ähnelt der synergetischen Bindung, die im Dewar-Chatt-Duncanson-Modell für die Wechselwirkung von beispielsweise CO mit Übergangsmetallen beschrieben wird. Die Herstellung von Festkörpermaterialien, die die Kubas-Wechselwirkung zur Speicherung von Wasserstoff nutzen, stellt eine große Herausforderung dar, da es schwierig ist, ein Material zu synthetisieren, das sowohl eine hohe Konzentration an niedervalenten, niedrigkoordinierten Bindungsstellen aufweist (Übergangsmetalle bevorzugen dies im Festkörper). In den meisten Fällen sind sie sechsfach koordiniert, haben ein geringes Gewicht und eine ausreichende Porosität, damit Wasserstoff durch die Struktur diffundieren kann.

Die Forscher nutzten speziell zugeschnittene Kubas-Bindungsstellen in einem amorphen porösen Manganhydrid-Netzwerk, das als eigene intrinsische Wärmesenke im Nanomaßstab fungiert, wodurch externe Wärmemanagementanforderungen sehr begrenzt oder möglicherweise sogar unnötig werden.

Das Material speichert Wasserstoff reversibel unter Umgebungsbedingungen und erfordert aufgrund seiner thermodynamischen Neutralität keine aufwändige Technik für den Einsatz in der Bordspeicherung, in einer Vielzahl tragbarer Geräte und sogar für den Transport großer Mengen (Röhrenanhänger oder Schiff), während es sich im Tank befindet Gleichzeitig können Komplexität und Kosten der unterstützenden Infrastruktur entscheidend gesenkt werden.Antonelli et al.

Ressourcen

David M. Antonelli, Michel Trudeau, Nikolas Kaltsoyannis, Jürgen Eckert, Jan Peter Peter Embs, Leah Morris, James Hales und Peter Georgiev (2018) „A Manganese Hydride Molecular Sieve for Practical Hydrogen Storage under Ambient Conditions“ Energy & Environmental Science doi: 10.1039 /C8EE02499E

Tuan KA Hoang und David M. Antonelli (2009) „Exploiting the Kubas Interaction in the Design of Hydrogen Storage Materials“ Advanced Materials, 21(18), 1787–1800 doi: 10.1002/adma.200802832

Gepostet am 11. Dezember 2018 in Wasserstoff, Wasserstoffspeicherung, Materialien | Permalink | Kommentare (9)