Selbstheilender Katalysator für den potenziellen großtechnischen Einsatz bei der Wasserstofferzeugung

12.04.2019 - Schweiz

Die Forscher des NCCR MARVEL haben einen selbstheilenden Katalysator entdeckt, mit dem Wasserstoff durch die hydrolytische Dehydrierung von Amminboran freigesetzt werden kann. Der Katalysator SION-X basiert auf dem reichlich vorhandenen Mineral Jacquesdietrichit, ist nachhaltig, luftstabil und lässt sich leicht regenerieren, speichern und handhaben. Diese Eigenschaften bedeuten, dass es erhebliche Vorteile gegenüber bestehenden Katalysatoren bieten kann, die bei der Herstellung des sauberen und erneuerbaren Energieträgers Wasserstoff verwendet werden.

Wasserstoff (H2) ist ein sauberer und erneuerbarer Energieträger und gilt als idealer Kandidat für zukünftige mobile und stationäre Anwendungen. Die großtechnische Nutzung erfordert jedoch eine sichere und effiziente Speicherung und Freisetzung von H2, und dies bleibt trotz der Untersuchung mehrerer Systeme zur Wasserstoffspeicherung eine Herausforderung.

In den letzten Jahren hat sich ein Teil der Forschung auf bor-stickstoffbasierte (B-N) Hydridverbindungen konzentriert, da sie in der Lage sind, signifikante Mengen von H2 zu speichern und freizusetzen. Von den Verbindungen ist das einfachste Ammoniakboran (AB) besonders vielversprechend, da es keine Selbsthydrolyse in Wasser durchläuft, einen hohen H2-Gehalt aufweist, ein niedriges Molekulargewicht aufweist, ungiftig ist und sowohl in wässrigen Lösungen als auch in der Luft eine besonders hohe Stabilität aufweist - es hat ein großes Potenzial für Anwendungen an Bord im Transportwesen.

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In Bezug auf die Techniken hat sich die Hydrolyse bei Raumtemperatur als die effizienteste Methode zur Freisetzung von Wasserstoff aus AB erwiesen, die die Verwendung von höheren Temperaturen oder anderen toxischen und teuren Lösungsmitteln vermeidet. Häufig wird jedoch ein Katalysator benötigt, um die Hydrolyse von AB voranzutreiben. Und obwohl es eine Reihe von Katalysatoren gibt, die in der Lage sind, Wasserstoff effizient aus AB freizusetzen, leiden sie unter einer Reihe von Nachteilen. Die auf Edelmetallen basierenden sind teuer, nicht nachhaltig und für Großanwendungen nicht praktikabel. Nicht-Edelmetall-Katalysatoren sind luftsensitiv und können leicht oxidiert werden, so dass sie eine spezielle Handhabung und Lagerung erfordern und schwer zu regenerieren sind. Darüber hinaus wird die katalytische Aktivität nach wenigen Zyklen der Reaktion teilweise reduziert oder sogar ganz deaktiviert, wie z.B. bei erdreichen Übergangsmetallen.

Diese Nachteile motivierten die Forscher unter der Leitung von Dr. Kyriakos C. Stylianou von der EPFL und NCCR MARVEL, nach besseren Katalysatoren zu suchen. Ideale Kandidaten sollten auf reichlich vorhandenen Elementen basieren, luftstabil und leicht zu regenerieren, zu lagern und zu handhaben sein. Von all diesen Stärken hielten die Forscher die Regeneration oder Selbstheilung - die Fähigkeit des Katalysators, sich im normalen Betrieb spontan zu reparieren - für die attraktivste. Tatsächlich ist es für die praktische Anwendung entscheidend, da die Stabilität des Katalysators direkt mit seiner Wirtschaftlichkeit verbunden ist.

Ihr neuartiger, selbstheilender, nachhaltiger Katalysator scheint zu passen. Der Katalysator, genannt SION-X, ist die synthetische Form des Jacquesdietrichits (Cu2[(BO)(OH) 2](OH)3), ein Mineral, das 1999 erstmals in der Tachgagaltmine in Marokko gefunden wurde. Die Wissenschaftler erhielten es zunächst als blaues Pulver, nachdem sie den Rest der Reaktion zwischen einem metallorganischen Gerüst auf Kupferbasis (MOF) und AB an der Luft ausgesetzt hatten. Als sie SION-X bei der Hydrolyse von AB verwendeten, erreichten sie mehr als 90% Umwandlung von H2 in etwa 45 Minuten. Während des Prozesses wandelte es sich in Kupfer(0)-Nanopartikel um. Als das Reaktionsgemisch dann der Luft ausgesetzt wurde, wurde das blaue Pulver von SION-X selbstgeheilt und aus Kupfer(0)-Nanopartikeln reformiert. Sie konnten 10 Zyklen der Katalyse-Regeneration durchführen, wobei die Aktivität von SION-X unverändert blieb.

Dieser Selbstheilungsprozess, bei dem der Katalysator seine strukturelle Integrität im Freien wiederherstellt, ohne Hitze, Druck oder elektrische Vorspannung anzuwenden, ist von großer Bedeutung für die Verlängerung der Lebensdauer des Katalysators und macht SION-X zu einem guten Kandidaten für den Einsatz bei der großtechnischen hydrolytischen Dehydrierung von AB.

"Die selbstheilende Katalyse von SION-X ohne zusätzlichen Energieaufwand eröffnet eine neue Perspektive in der heterogenen Katalyse für energiebezogene Anwendungen", sagten die Forscher.

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