Wasserstoffspeicherung

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:

  • 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
  • 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 (florian [dot] mertensatchemie [dot] tu-freiberg [dot] de (E-Mail))
  • Dr. Jürgen Seidel (juergen [dot] seidelatchemie [dot] tu-freiberg [dot] de (E-Mail))
  • M. Sc. Franziska Habermann (franziska [dot] habermannatchemie [dot] tu-freiberg [dot] de (E-Mail))
  • Dipl.-Chem. Konrad Burkmann (konrad [dot] burkmannatdoktorand [dot] tu-freiberg [dot] de (E-Mail))

Abbildungen

HP-DSC-Messung von NaAlH4, dotiert mit 10 mol% TiCl3, bei 150 bar WasserstoffdruckDruck-Zusammensetzungs-Isotherme von NaAlH4, dotiert mit 2 mol% TiCl3, bei 160 °C