Chemisch-physikalische Aktivierungsmethoden für die Be- und Entladung von magnesiumbasierten Materialien zur Wasserstoffspeicherung

Abstract

Im Rahmen der Energiewende spielt erneuerbarer Wasserstoff eine zentrale Rolle als emissionsfreier Energieträger. Die niedrige Dichte von Wasserstoffgas macht Verfahren zur Erhöhung der volumetrischen Energiedichte notwendig. Neben der Hochdruckverdichtung und Verflüssigung bietet sich die Speicherung von Wasserstoff in Form von Metallhydriden an.Ein vielversprechendes Material ist dabei Magnesium, nachteilig ist die geringe Reaktionsgeschwindigkeit für die Hydridbildung und die hohe Zersetzungstemperatur für das Metallhydrid. Dies macht die Anwendung von physikalischen und chemischen Aktivierungsstrategiennotwendig, um geeignete Materialien für eine effiziente Speicherung vonWasserstoff zu erhalten.Im Zuge dieser Arbeit wurde die Auswirkung von physikalisch-chemischen Aktivierungsstrategien auf die initiale Hydrierung von magnesiumbasierten Pulvern aus verschiedenen Produktionsrouten untersucht. Bei der physikalisch-thermischen Aktivierung zeigte sich die Herstellungsmethode als großer Einflussfaktor auf den Hydriererfolg. Während gasatomisiertePulver eine schnelle anfängliche Reaktionsrate aufwiesen, wurde im Gegensatz zu gekratzten Pulvern ein nur unvollständiger Umsatz zum Hydrid beobachtet. Die chemische Aktivierung mittels eines Mg-Anthracen-Chromchlorid-Katalysators lieferte unabhängig von der Herstellungsmethode der untersuchten Magnesiumpulver hohe Umsätze. Die resultierenden Hydridproben unterschieden sich stark in ihrer Reaktivität. Die spezifische Oberfläche änderte sich bei der physikalischen Aktivierung nur wenig, bei der chemischen Aktivierung um 1-2 Größenordnungen. Die Aktivierungsenergie der Dehydrierreaktionwurde mit der Kissinger-Methode bestimmt. Dabei zeigten die chemischaktivierten Reinmagnesiumpulver eine um etwa 50 bis 65 kJmol−1 niedrigere Aktivierungsenergie als die physikalisch-thermisch aktivierten Pulver. Materialien mit Nickelzusatz (MgNi15) zeigten eine nochmals verringerte Aktivierungsenergie.

In the context of the energy transition, renewable hydrogen plays a central role as anemission-free energy carrier. The low density of hydrogen gas makes processes for increasingthe volumetric energy density necessary. In addition to high-pressure compressionand liquefaction, hydrogen can be stored in the form of metal hydrides.Magnesium is a promising material, but the low reaction speed for hydride formationand the high decomposition temperature for the metal hydride are disadvantageous. Thismakes the application of physical and chemical activation strategies necessary in order toobtain suitable materials for the efficient storage of hydrogen.In the course of this work, the effects of physical-chemical activation strategies on theinitial hydrogenation of magnesium-based powders from different production routes wereinvestigated. In the case of physical-thermal activation, the production method proved tobe a major factor influencing the hydrogenation success. While gas-atomized powdersshowed a fast initial reaction rate, only incomplete conversion to the hydride was observedin contrast to scratched powders. Chemical activation using Mg-anthracene-chromiumchloride catalyst yielded high conversions regardless of the powder preparation method.The resulting hydride samples differed greatly in their reactivity. The specific surfacearea changed only slightly during physical activation and by 1-2 orders of magnitudeduring chemical activation. The activation energy of the dehydrogenation reaction wasdetermined using the Kissinger method. The chemically activated pure magnesiumpowders showed an activation energy that was about 50 to 65 kJmol−1 lower than thephysically activated powders. Materials with added nickel (MgNi15) showed even loweractivation energies.