Beschichtung von hohlen Mikroglaskugeln mit Katalysatoren für die Hydrolyse von Natriumborhydrid (NaBH4) mittels Magnetron-Sputtering

Abstract

Die Speicherung von Wasserstoff in hohlen Mikroglaskugeln (Durchmesser ca. 40 um) bietet den Vorteil der einfachen Handhabung dieser Kugeln und des guten Verhältnisses von gespeichertem Wasserstoff zu Speichergewicht. Die Freisetzung des Wasserstoffs erfolgt durch Diffusion, dazu müssen die Kugeln allerdings auf ca. 200C erwärmt werden. Dies soll durch eine exotherme chemische Reaktion, die Hydrolyse von Natriumborhydrid,erreicht werden, da dabei ebenfalls Wasserstoff entsteht. Um diese Reaktion zu ermöglichen bzw. zu beschleunigen ist ein Katalysator erforderlich, welcher mittels Magnetron-Sputtering auf die Kugeln aufgebracht wurde. Um eine Agglomeration der Kugeln zu verhindern, bzw. eine gleichmässige Beschichtung zu gewährleisten, wurden diese in einer rotierenden, schräg gestellten Schale beschichtet. Die Bestimmung der Schichtdicke erfolgte über die Messung von auf planen Substraten abgeschiedenen Schichten mittels eines Profilometers und der daraus errechneten Rate. Weiters wurde versucht die Schichtdicke direkt mittels Sekundärelektronenmikroskopie (SEM), Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zu bestimmen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen geeigneten Katalysator zu finden und die Kugeln derart zu beschichten (Haftvermittlerschichten, reaktives Sputtering, Co-Sputtering und deren Kombinationen), dass diese wiederholt verwendet werden können, ohne dass sich die Katalysatorschicht löst. Die Ablösung der Schicht stellt allerdings nicht das einzige Hindernis bei der Wiederverwendung dar. Ein chemischer Effekt deaktiviert die katalytische Wirkung der Beschichtung, darum wurde ein Verfahren entwickelt den Katalysator zu reaktivieren. Um die Wirksamkeit der unterschiedlichen Materialien und Materialkombinationen zu testen, wurden zahlreiche systematische Experimente zur Hydrolyse von Natriumborhydrid durchgeführt und dabei stets die erreichte Temperatur und die Menge an freigesetztem Wasserstoff gemessen und aufgezeichnet. Aus diesen Experimenten konnten dann jene Schichten bestimmt werden, welche die besten katalytischen Eigenschaften aufweisen. Diese Ergebnisse wurden verwendet um zwei verschiedene Beschichtungskonfigurationen zu finden, welche einerseits eine ausreichende Schichthaftung aufweisen und andererseits eine Reaktivierung der katalytischen Wirkung erlauben. Diese Varianten wurden dann bis zu 4 mal in den chemischen Experimenten wiederverwendet.

The storage of hydrogen in hollow micro glassspheres (diameter approx. 40 um) has two advantages. Firstly the very simple handling of the loaded spheres and secondly the hight gravimetric storage density of this system. To release the hydrogen the spheres have to be heated to approx. 200C. This temperature may be reached by an exothermal chemical reaction, namely the hydrolysis of sodium borohydride, which will also release additional hydrogen. In order to accelerate this reaction a catalyst is needed. The spheres were coated with this catalyst by magnetron sputtering. To avoid agglomeration during the sputter process a special device equipped with a rotating bowl and a concussion mechanism was used. To calculate the thickness of the coating, sputter-rates where determined on plane samples. In order to measure the thickness of the deposited lms scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) und transmission electron microscopy (TEM) were used. The aim of this work is to coat the spheres with a suitable catalyst, in such a way that the spheres can be reused. Therefore a very good adhesion of the coating is needed. This should be achieved by using adhesion promoting lms, reactive sputtering, co-sputtering and combinations thereof. However the delamination of the thin films is not the only problem. The catalyst gets deactivated during the chemical reaction. Therefore a method was developed to reactivate the catalytic properties. To test the performance of the dierent materials a large number of systematic experiments was performed. During these experiments the amount of released hydrogen as well as the temperature inside the reaction chamber was measured. As a result of this, the two best performing catalyst systems could be identfiied. Using this result two dierent coatings where developed, which can withstand the chemical reaction and can also be reactivated regarding catalytic properties. To determine the reusability they where reused up tp 4 times in the already mentioned chemical experiment.