Magnesiumborhydrid als Wasserstoffspeicher

Abbildung: Hoch besetzt: Eine hoch poröse Form von Mg(BH₄)₂ (siehe Bild; Mg grün, BH4 blau, Elementarzellen rot) adsorbiert H₂, N₂ und CH₂Cl₂ reversibel. Bei hohen Drücken wandelt sich das Material in ein verschachteltes Gerüst um, das eine um 79 % höhere Dichte als die anderen Polymorphe aufweist. Mg(BH₄)₂ kann als ein Koordinationspolymer wirken, das starke Ähnlichkeiten mit Metall-organischen Gerüsten aufweist. [Bildquelle: Angewandte Chemie, Wiley-VCH]

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Wasserstoff könnte einer der wichtigsten Energieträger in einer auf erneuerbaren Rohstoffen basierenden Energiewirtschaft sein.

Dem steht allerdings noch entgegen, dass bisher kein idealer Wasserstoffspeicher gefunden wurde.

Ein Team um Yaroslav Filinchuk von der Universite Catholique de Louvain, Belgien, und Torben R. Jensen von der Universität Aarhus in Dänemark stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine neue hochporöse Form von Magnesiumborhydrid vor, die Wasserstoff auf zwei Weisen speichern kann: chemisch gebunden und physikalisch adsorbiert.

Der ideale Wasserstoffspeicher sollte den Wasserstoff effizient und sicher auf engem Raum speichern und bei Bedarf leicht wieder hergeben. Er sollte bei moderaten Bedingungen rasch wieder aufladbar und dabei möglichst leicht und kostengünstig sein. Eine Variante ist die Speicherung in festem Zustand: So kann Wasserstoff beispielsweise chemisch in Form von Borhydrid-Verbindungen gebunden oder als Moleküle in nanoporösen Materialien adsorbiert werden, wie etwa in Metall-organischen Gerüsten.

Die Forscher haben nun ein Material gefunden, das beides kann. Es handelt sich dabei um eine neue hochporöse Form von Magnesiumborhydrid - das erste Leichtmetall-Hydrid, das wie ein Metall-organisches Gerüst porös und in der Lage ist, molekularen Wasserstoff zu speichern.

Magnesiumborhydrid - Mg(BH₄)₂ - ist eines der vielversprechendsten Materialien für die chemische Wasserstoffspeicherung, denn es gibt Wasserstoff bereits bei relativ niedrigen Temperaturen ab und enthält einen hohen Gewichtsanteil Wasserstoff (ca. 15 %). Bisher waren zwei Modifikationen, α und β, bekannt. Den Forschern ist es nun gelungen, eine weitere, als γ-Form bezeichnete Modifikation herzustellen. Das Porenvolumen macht etwa 33 % der Struktur aus. Dabei sind die Kanäle breit genug, um kleine Gasmoleküle wie Stickstoff, Dichlormethan und vor allem Wasserstoff aufzunehmen und zu speichern.

Interessanterweise verwandelt sich das Material bei hohem Druck in ein verschachteltes, nichtporöses Gerüst, das eine um fast 80 % höhere Dichte hat. Diese d-Form ist damit das Material mit der zweitgrößten Wasserstoffdichte - mehr als doppelt so dicht wie flüssiger Wasserstoff. Ein weiterer Superlativ: Während der Umwandlung findet eine 44 %ige Volumenkontraktion statt. Das ist die höchste, die bisher für ein Hydrid beobachtet wurde.

"Eine Kombination der chemischen (durch kovalente Bindung) und der physikalische (durch Adsorption in den Poren) Speicherung von Wasserstoff scheint nur schwer in eine praktische Anwendung umsetzbar zu sein", führen Filinchuk und Jensen aus. "Auf jeden Fall aber zeigen die Ergebnisse die Existenz einer neuen Klasse Hydrid-basierter poröser Feststoffe auf, die zur Speicherung und Trennung diverser Gase geeignet scheinen."

Prof. Yaroslav Filinchuk, Bo Richter, Prof. Torben R. Jensen, Prof. Vladimir Dmitriev, Dr. Dmitry Chernyshov, Dr. Hans Hagemann:
Porous and Dense Magnesium Borohydride Frameworks: Synthesis, Stability, and Reversible Absorption of Guest Species.
In: Angewandte Chemie; online veröffentlicht am 09. September 2011, DOI 10.1002/ange.201100675

Quelle: Angewandte Chemie, Presseinformation Nr. 38/2011

Aktualisiert am 30.09.2011.

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