Robert Klatt
Eine hocheffiziente Wasserstoffbatterie aus günstigen Materialien kann den Energieträger reversibel speichern. Das Gas kann so sicher transportiert und mobil verwendet werden.
Rostock (Deutschland). Wasserstoff lässt sich als Gas wegen seiner hohen Explosionsgefahr und seiner geringen Dichte nur schwer transportieren. Das Element wird in der Regel deshalb chemisch gebunden und verflüssigt, um es mobil einsetzen zu können. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Katalyse (LIKAT) haben nun im Fachmagazin Nature Energy einen innovativen Wasserstoffspeicher vorgestellt, der den Wasserstoff mithilfe eines katalytischen Systems chemisch speichern und anschließend hocheffizient wieder freisetzen kann. Das System ist vergleichbar mit einer elektrischen Batterie, die statt mit Strom jedoch mit Wasserstoff geladen wird.
Die Wissenschaft entwickelt zwar bereits Konzepte für chemische Wasserstoffspeicher, diese waren aber nicht praxistauglich. „Die meisten von ihnen benötigen kostspielige, auf Edelmetallen wie Ruthenium, Rubidium oder Iridium basierende Katalysatoren“, erklären die Forscher des LIKAT. Zudem brauchten die Speicherung und Freisetzung des Wasserstoffs spezielle Umweltbedingungen. Eine Nutzung als Wasserstoffbatterie war deshalb bisher nur sehr eingeschränkt möglich.
Die Wasserstoffbatterie des Teams um Duo Wie basiert hingegen auf einem Katalysator aus einem günstigen Mangankomplex. Dieser kann unter einheitlichen Bedingungen Wasserstoff speichern und freisetzen. Neben dem Mangankatalysator basiert die Wasserstoffbatterie auf dem organischen Molekül Ameisensäure (HCOOH), das den Wasserstoff als Speichermedium aufnimmt.
Innerhalb der Wasserstoffbatterie entsteht die Ameisensäuren, wenn die Aminosäure Lysin mithilfe des Mangankatalysators mit dem zugeführten Wasserstoff und Kohlendioxid aus der Luft reagiert. Dabei wird der Wasserstoff chemisch gebunden. Die Freisetzung erfolgt dadurch, dass das Formiat der Reaktionshelfer wieder dehydrogeniert. Dabei wird CO₂ und Wasserstoff gebildet.
Der erste Prototyp der Wasserstoffbatterie erreichte eine Ausbeute von mehr als 80 Prozent. Diese sank bei zehn Zyklen hintereinander auf 72 Prozent. Weil bei der Dehydrogenierung das CO₂ ebenfalls freisetzt wird, war diese Entwicklungsstufe jedoch noch kein geschlossener Kreislauf, bei dem lediglich der Wasserstoff nachgefüllt werden muss. „Das Ziel einer praktisch nutzbaren, wiederaufladbaren Wasserstoffbatterie wird so nicht erreicht“, erklären die Forscher.
Sie optimierten das System deshalb, indem sie anstatt Lysin das Kaliumsalz der Aminosäure nutzen. Laut Experimenten kann Kaliumlysinat 99,9 Prozent des freigesetzten CO₂ aufnehmen und dadurch den Kreislauf der Batterie schließen. „Wir halten das CO₂ dauerhaft in unserem Reaktionssystem fest“, so Matthias Beller. Die Wasserstoffbatterie muss somit nur einmalig zu Beginn mit Luft gefüllt werden. Anschließend bleibt das CO₂ in dem geschlossenen Kreislauf.
Die Optimierung erhöhte die Effizienz der Wasserstoffbatterie auf mehr als 80 Prozent. Zudem ist das freigesetzte Wasserstoffgas hochrein. „Diese Methode repräsentiert damit der produktivsten Kombinationen von CO₂-Bindung und Formiat-Dehydrogenierung auf Basis eines nicht aus Edelmetallen bestehenden Katalysators“, konstatieren die Forscher.
Nature Energy, doi: 10.1038/s41560-022-01019-4
