Untersuchung (komplexer) Hydride als Wasserstoffspeicher unter Nutzung kalorischer Methoden
Im Zuge der weltweiten Energiewende, d.h. der Umstellung von fossilen auf regenerative Energieträger, sind Konzepte zur reversiblen Energiespeicherung für den Ausgleich von Leistungsschwankungen der umweltfreundlichen, aber auch nur diskontinuierlich zur Verfügung stehenden Energieträger, notwendig. Eine aktuell diskutierte Variante ist die chemische Speicherung von Wasserstoff mit Hilfe komplexer Hydride wie z. B. NaAlH4:
3 NaAlH4 ↔ Na3AlH6 + 2 Al + 3 H2 ↔ NaH + 3 Al + 4,5 H2
Hierbei soll Wasserstoff durch die Hydrierung der Zersetzungsprodukte des komplexen Hydrids gespeichert und durch dessen thermische Zersetzung wieder freigesetzt werden.
Eine Vielzahl dieser Hydride kann durch Metathesereaktionen hergestellt werden. Die Durchführung der Synthese erfolgt entweder in Lösung oder mechanochemisch in einer Kugelmühle.
Die Zielstellung der Forschung am Institut für Physikalische Chemie im Hinblick auf die komplexen Hydride und weiterer verwandter Verbindungen sind Grundlagenuntersuchungen zu ihrer Eignung bzw. zur Optimierung für die reversible Wasserstoffspeicherung. In Bezug auf mobile Anwendungen ist hierbei vor allem die Entwicklung von Hydriden für den Hochdruckbereich von Interesse. Hierzu werden verschiedene komplexe Hydride und Mischungen dieser hinsichtlich ihres Dehydrierungs- und Hydrierungsverhaltens thermodynamisch charakterisiert. Dies erfolgt vorwiegend mittels Thermogravimetrie gekoppelt mit dynamischer Differenzkalorimetrie und Zersetzungsgasanalyse (TG-DSC-FTIR/MS), mit DSC-Messungen unter Wasserstoffhochdruck (HP-DSC, siehe Abb.1) und durch die Aufnahme von Druck-Zusammensetzungs-Isothermen mit einer Sieverts-Apparatur (siehe Abb. 2).
Die Untersuchung der komplexen Hydride mittels TG-DSC dient vorwiegend der Aufklärung der Dehydrierungsreaktionen.
Auf der Basis der HP-DSC-Messungen kann der Einfluss des Wasserstoffdruckes auf die Hydrierungs- und Dehydrierungstemperaturen und die Reversibilität der Reaktionen sowie Zyklenstabilitäten studiert werden. Es lassen sich weiterhin Aussagen sowie Daten zur Thermodynamik und Kinetik der ablaufenden Prozesse ableiten.
Mit Hilfe der Aufnahme von Druck-Zusammensetzungs-Isothermen können die reversible Wasserstoff-Speicherkapazität sowie die Gleichgewichtsdrücke der untersuchten Hydrierungs-Dehydrierungs-Zyklen bei verschiedenen Temperaturen ermittelt werden. Auch hieraus können thermodynamische Daten der Reaktionen bestimmt werden.
Themen für Graduierungsarbeiten:
Für interessierte Studierende können laufend Themen für Studien-, Bachelor- und Master/Diplomarbeiten individuell vereinbart werden.
Ausgewählte Veröffentlichungen:
Veröffentlichungen in Zeitschriften:
F. Habermann, A. Wirth, K. Burkmann, B. Störr, J. Seidel, R. Gumeniuk, K. Bohmhammel, F. Mertens, „Heat Capacity Function, Enthalpy of Formation and Absolute Entropy of Mg(AlH4)2“, ChemPhysChem 2024, 25, doi.org/10.1002/cphc.202300748
F. Habermann, K. Burkmann, J. Kraus, B. Störr, J. Seidel, K. Bohmhammel, J. Kortus, R. Gumeniuk, F. Mertens, „Thermodynamic and kinetic Study of the thermal dehydrogenation of Sr(AlH4)2 taking into account the by-products NaCl and LiCl“, J. Alloys Compd. 2024, 980, 173476, doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.173476
K. Burkmann, F. Habermann, E. Schumann, J. Kraus, B. Störr, H. Schmidt, E. Brendler, J. Seidel, K. Bohmhammel, J. Kortus, F. Mertens, „Structural and thermodynamic investigations of Zr(BH4)4 and Hf(BH4)4 between 280 K and their decomposition temperatures“, New J. Chem. 2024, 48, 2743–2754, doi.org/10.1039/D3NJ05601E
Z. Cao, F. Habermann, K. Burkmann, M. Felderhoff, F. Mertens, „Unstable Metal Hydrides for Possible On-Board Hydrogen Storage“, Hydrogen 2024, 5, 241–279, doi.org/10.3390/hydrogen5020015.
F. Habermann, K. Burkmann, B. Hansel, B. Störr, C. Schimpf, J. Seidel, M. Bertau, F. Mertens, „Hydrogen absorption and desorption in the V-Al-H system“, Dalton Trans. 2023, 52, 4880–4890, doi.org/10.1039/D2DT03718A
F. Taubert, D. Thomas, R. Hüttl, J. Seidel, F. Mertens, „Experimental determination of enthalpies of formation of Li17Si4, Li16.42Si4 and Li13Si4“, J. Alloys Compd. 2022, 897, 163147–163155, doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163147
L. Sandig-Predzymirska, J. Ortmeyer, J. Wagler, E. Brendler, F. Habermann, M. Anders, M. Felderhoff, F. Mertens, “The direct and reversible hydrogenation of activated aluminium supported by piperidine” Dalton Trans. 2020, 49, 17689-17698, doi.org/10.1039/D0DT03175E
J. Ortmeyer, A. Bodach, L. Sandig‐Predzymirska, B. Zibrowius, F. Mertens, M. Felderhoff, “Direct Hydrogenation of Aluminum via Stabilization with Triethylenediamine: A Mechanochemical Approach to Synthesize the Triethylenediamine ⋅ AlH3 Adduct”, Chemphyschem 2019, 20, 1360-1368, doi.org/10.1002/cphc.201801093
D. Thomas, N. Bette, F. Taubert, R. Hüttl, J. Seidel, F. Mertens, „Experimental determination oft he enthalpies of formation oft he lithium silicides Li7Si3 and Li12Si7 based on hydrogen sorption measurements“, J. Alloys Compd. 2017, 704, 398-405, doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.010
Tagungsbeiträge:
Konrad Burkmann, Angus Demmer, Franziska Habermann, Jakob Kraus, Bianca Störr, Jürgen Seidel, Roman Gumeniuk, Jens Kortus, Klaus Bohmhammel, Florian Mertens, Investigation of the Potential for Hydrogen Storage in a Portfolio of Selected Boranates by Calorimetry, St. Malo, 2024
Franziska Habermann, Anneliese Wirth, Konrad Burkmann, Jakob Kraus, Bianca Störr, Jürgen Seidel, Jens Kortus, Roman Gumeniuk, Klaus Bohmhammel, Florian Mertens, Determination and Estimation of Thermodynamic Data of Complex Aluminum Hydrides, St. Malo, 2024
Angus Demmer, Konrad Burkmann, Bianca Störr, Roman Gumeniuk, Jürgen Seidel, Klaus Bohmhammel, Florian Mertens, Synthesis and Thermochemical Characterisation of Strontium Boranate, Gießen, 2024
F. Habermann, K. Burkmann, B. Störr, J. Seidel, K. Bohmhammel, F. Mertens, Study of the Influence of NaCl and LiCl on the Decomposition of Sr(AlH4)2, Die 25. Kalorimetrietage, Braunschweig 2023, pdf-Download
K. Burkmann, F. Habermann, J. Kraus, E. Schumann, B. Störr, J. Seidel, K. Bohmhammel, J. Kortus, F. Mertens, Thermodynamic Study of Zirconium and Hafnium Boranate – Zr(BH4)4 and Hf(BH4)4, Die 25. Kalorimetrietage, Braunschweig 2023, pdf-Download
Franziska Habermann, Bianca Störr, Jürgen Seidel, Florian Mertens, Thermodynamic Investigations on the Hydrogenation of Vanadium, Braunschweig/online, 2021
Franziska Habermann, Anneliese Wirth, Konrad Burkmann, Bianca Störr, Jürgen Seidel, Florian Mertens, Thermodynamic Investigations on the Dehydrogenation Reactions of the Complex Hydrides Mg(AlH4)2 and Ca(AlH4)2, Braunschweig/online, 2021
L. Sandig-Predzymirska, K. Burkmann, J. Seidel, F. Mertens, Influence of the aluminium addition on the hydrogenation/dehydrogenation behavior of doped sodium alanate Die 23. Kalorimetrietage, Braunschweig 2019, pdf-Download
Ansprechpartner
- Prof. Dr. Florian Mertens (E-Mail: Florian [dot] Mertens [at] chemie [dot] tu-freiberg [dot] de (Florian[dot]Mertens[at]chemie[dot]tu-freiberg[dot]de))
- Dipl.-Chem. Konrad Burkmann (E-Mail: Konrad-Joerg [dot] Burkmann [at] chemie [dot] tu-freiberg [dot] de (Konrad-Joerg[dot]Burkmann[at]chemie[dot]tu-freiberg[dot]de))
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