Der Neue Wiesentbote

Bayreuther Forscher haben ein effizientes und nachhaltiges System zur Wasserstoff-Speicherung entwickelt

Neue Technologien zur Energiespeicherung gewinnen immer stärker an Bedeutung. Weil der Anteil erneuerbarer Energien an der Energieversorgung steigt, wird es immer wichtiger, wetterbedingte Engpässe in der Produktion von Sonnen- oder Windkraftenergie dadurch ausgleichen zu können, dass Energie in größerem Umfang gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden kann. Weltweit interessiert sich die Forschung daher für Möglichkeiten, Wasserstoff als Energieträger zu nutzen.

Ein neuer Katalysator für die Wasserstoff-Speicherung

Ein vielversprechender Ansatz sind flüssige organische Wasserstoffträger (liquid organic hydrogen carriers, LOHC). Hierbei handelt es sich um organische Verbindungen, die in der Lage sind, Wasserstoff aufzunehmen und wieder abzugeben. Prominente Beispiele für solche LOHCs sind sogenannte „N-Heterozyklen“. Diese kleinen Moleküle bestehen aus Kohlenstoffringen, enthalten aber an einer bestimmten Stelle ein Stickstoff- statt eines Kohlenstoffatoms. Ein bekannter N-Heterozyklus ist N-Ethylcarbazol (NEC). Dieses Molekül ist unter geeigneten Temperaturen und Drücken in der Lage, 12 Wasserstoff-Atome zu binden und wieder freizusetzen. In beiden Fällen findet eine chemische Reaktion statt, die durch einen Katalysator ausgelöst und gesteuert wird.

Eine Forschungsgruppe um Prof. Dr. Rhett Kempe an der Universität Bayreuth hat jetzt einen Katalysator entwickelt, der deutlich besser als andere chemische Verbindungen geeignet ist, um NEC mit Wasserstoff zu beladen. Er enthält zwei Metalle, Palladium (Pd) und Ruthenium (Ru), die auf einen Siliziumkohlenstoffnitrid-Träger (SiCN) aufgebracht wurden. Die chemische Formel lautet daher Pd2Ru@SiCN. Das Speicherpotenzial der NEC-Moleküle kann mit diesem Katalysator sehr weitgehend ausgenutzt werden. Und ebenso ist es mit demselben Katalysator möglich, die gebundenen Wasserstoff-Atome wieder aus den NEC-Molekülen herauszulösen.

„Bisher ist auf dem Gebiet der Wasserstoff-Speicherung kein anderer Katalysator bekannt, der sowohl das Be- als auch das Entladen von NEC-Molekülen mit einer derart hohen Effizienz bewerkstelligt“, freut sich Daniel Forberg, der als Mitglied des Forschungsteams maßgeblich zur Entwicklung dieses neuen Instruments für die Wasserstoff-Speicherung beigetragen hat.

Ein neues Speichermedium aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz

Der neue Katalysator ermöglichte den Bayreuther Wissenschaftlern aber noch einen weiteren Forschungserfolg. Die flüssigen organischen Wasserstoffträger (LOHCs), die in der Forschung bisher für die Speicherung von Wasserstoff eingesetzt wurden, stammen letztlich alle aus fossilen Substanzen wie Kohle und Erdöl, also aus chemischen Verbindungen, deren Vorräte begrenzt sind. Dies gilt auch für N-Ethylcarbazol (NEC). Dem Team von Prof. Kempe ist es jedoch erstmals gelungen, einen organischen Wasserstoffträger aus einem nachwachsenden Rohstoff zu gewinnen. Ein Abfallprodukt der Holzverarbeitung, das bisher industriell kaum genutzt wird und sich auch nicht für die Nahrungsmittelproduktion eignet, ist Lignin. Hieraus lässt sich – mithilfe eines schon früher in Bayreuth entwickelten Katalysators – ohne hohen technischen Aufwand Phenazin herstellen. Phenazin-Moleküle bestehen aus drei verketteten Kohlenstoffringen, wobei im mittleren Ring zwei Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt sind.

Der Katalysator Pd2Ru@SiCN macht es möglich, 14 Wasserstoffatome in einem Phenazin-Molekül zu binden und sie bei Bedarf auch wieder freizusetzen. Dieses System der Wasserstoff-Speicherung übertrifft damit sogar die Wasserstoff-Speicherung, die mit NEC erzielt werden kann. Denn während der in NEC gebundene Wasserstoff maximal ungefähr 5,8 Gewichtsprozent des gesamten Moleküls ausmacht, werden bei Phenazin 7,2 Gewichtsprozent erreicht. „In unseren weiteren Forschungsarbeiten werden wir an dieses vielversprechende Resultat anknüpfen, um die Potenziale der Wasserstoff-Speicherung noch weiter auszuloten. Es freut uns sehr, dass in Verbindung mit unserem neuen Katalysator ein sehr effizientes Speichermedium zur Verfügung steht, das aus einem nachwachsenden Rohstoff stammt, der in großen Mengen verfügbar ist und keine Bedeutung als Nahrungsmittel besitzt“, erklärt Prof. Kempe.

Veröffentlichung:

Daniel Forberg et al.: Single-catalyst high-weight% hydrogen storage in an N-heterocycle synthesized from lignin hydrogenolysis products and ammonia, in: Nature Communications (2016), 7, 13201, doi: 10.1038/ncomms13201.