Warum Kokosnüsse das Wasserstoffspeichermaterial der Zukunft sein könnten

Wasserstoff ist ein potenzieller erneuerbarer Kraftstoff, da er einfach mittels Elektrolyse aus Wasser erzeugt werden kann. Es verbrennt auch sauber, um Wasserdampf zu erzeugen. Die Hoffnung ist, dass es auch über dasselbe globale Transportnetz für flüssige Kraftstoffe verteilt werden könnte, das Benzin um den Planeten transportiert.





Doch es gibt zahlreiche Probleme mit diesem Traum von einer wasserstoffbasierten Wirtschaft. Zum einen lässt sich Wasserstoff nur schwer effizient speichern. Wasserstoffgas hat im Vergleich zu Benzin eine geringe Energiedichte nach Volumen. Tatsächlich enthält ein Liter Benzin mindestens 60 Prozent mehr Wasserstoff als ein Liter reiner flüssiger Wasserstoff. Mit anderen Worten, Wasserstoff wird immer größere Tanks erfordern.

Daher ist es eine große Herausforderung, Wege zu finden, mehr davon zu speichern. Eine Möglichkeit besteht darin, es als Flüssigkeit zu lagern, aber Wasserstoff siedet bei Temperaturen über -250 °C und erfordert daher eine sperrige Isolierung, um es in diesem Zustand zu halten.

Eine andere Idee ist, es zu komprimieren. Dies wirft jedoch Sicherheitsfragen auf, sollte ein mit Wasserstoff betriebenes Auto in eine Kollision verwickelt sein.



Aus diesem Grund hat sich ein Großteil der materialwissenschaftlichen Forschung auf diesem Gebiet auf die chemische Speicherung konzentriert: das Auffinden von Materialien, die Wasserstoff effizient adsorbieren und ihn dann bei Bedarf wieder abgeben.

Jetzt sagen Viney Dixit und seine Freunde vom Hydrogen Energy Center der Banaras Hindu University in Indien, dass sie entdeckt haben, dass karbonisiertes Kokosnussfleisch für diese Aufgabe besonders gut geeignet ist. Heute zeigen sie, dass es eine Reihe anderer Wasserstoffspeichermaterialien übertrifft, insbesondere in seiner Fähigkeit, über viele Ladezyklen hinweg zu funktionieren.

Um die Bewertung von Wasserstoffspeichermaterialien zu unterstützen, hat das US-Energieministerium eine Reihe von Zielen festgelegt, die diese Materialien erfüllen müssen, um als tragfähige Technologien für zukünftige Transportsysteme angesehen zu werden. Aktuelle Kriterien sind beispielsweise, dass ein Wasserstoffspeichersystem mindestens 5,5 Massenprozent Wasserstoff (5,5 Gew.-%) speichern muss.



Dies ist die Masse des gesamten Speichersystems und nicht nur die Masse des Speichermaterials. Der Massenanteil des Speichermaterials muss also deutlich höher sein.

Materialwissenschaftler konzentrierten ihre Bemühungen ursprünglich auf Metallhydride, von denen einige Wasserstoff mit höheren Anteilen als den DoE-Kriterien speichern können. Diese Materialien haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Zunächst müssen sie erhitzt werden, um den Wasserstoff freizusetzen, was Energie kostet. Schlimmer noch, die Materialien neigen dazu, physikalisch zusammenzubrechen, wenn die Anzahl der Ladezyklen über etwa 100 steigt.

Daher haben sich Forscher in den letzten Jahren dem Kohlenstoff zugewandt. Die Bindung zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff ist bekanntermaßen schnell und reversibel. Darüber hinaus ist es relativ einfach, starken, porösen Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche herzustellen.



Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, biologisches Material wie Früchte oder Kokosnussschalen zu karbonisieren. Dabei wird das Material in einer Stickstoffatmosphäre auf wenige hundert Grad Celsius erhitzt, wodurch sichergestellt wird, dass der Kohlenstoff seine poröse biologische Struktur behält.

Anstelle von Kokosnussschale, Dixit und Co. karbonisiertes Kokosnussfleisch. Sie sagen, dass dies den Vorteil hat, dass es eine Vielzahl zusätzlicher Elemente wie Kalium, Natrium, Kalzium und Magnesium enthält, die gleichmäßig über die Kohlenstoffmatrix verteilt sind. Und sie sagen, dass sich dies in ihren Experimenten als signifikant herausstellt.

Diese Jungs haben die Menge an Wasserstoff gemessen, die karbonisiertes Kokosnussfleisch aufnehmen kann, und sagen, dass es sich gut mit konventionelleren Materialien vergleichen lässt. Das synthetisierte Material adsorbiert 2,30 Gew.-% bei Raumtemperatur und 8,00 Gew.-% bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff unter 70 atm Druck, sagen Dixit und Co.



Darüber hinaus gibt das Material Wasserstoff schnell und effizient ab und scheint sich über viele Ladezyklen nicht zu zersetzen.

Ob das ausreicht, um das 5,5-Gew.-%-Kriterium des DoE für ein gesamtes Speichersystem zu erfüllen, muss sich noch zeigen.

Das Team verbrachte einige Zeit damit, die Mikrostruktur des karbonisierten Kokosnussfleischs zu untersuchen, um herauszufinden, warum es so gut funktioniert. Und sie haben zwei Mechanismen identifiziert.

Erstens enthält das karbonisierte Kokosnussfleisch eine beträchtliche Menge Kaliumchlorid, das die Kohlenstoffmatrix, in die es eingebettet ist, polarisiert. Dies wird die Wasserstoffadsorptionskapazität verbessern, sagen sie.

Zweitens enthält die Kohlenstoffmatrix auch beträchtliche Mengen an Magnesium, von dem bekannt ist, dass es die Dissoziation von Wasserstoffmolekülen verbessert und sie leichter adsorbiert.

Das ist ein interessantes Ergebnis, das einige vielversprechende Wege für die zukünftige Forschung aufzeigt. Das Vorhandensein von Molekülen, die die Adsorption von Wasserstoff katalysieren, scheint ein wichtiger Mechanismus zu sein. Es kann sogar möglich sein, diese Proportionen durch den Anbau von Kokosnüssen in verschiedenen Umgebungen anzupassen. Eine andere Möglichkeit könnte darin bestehen, Kohlenstoff künstlich zu synthetisieren, der einigen Eigenschaften von karbonisiertem Kokosnussfleisch entspricht.

In jedem Fall könnten Materialwissenschaftler ihre Hängematten in Zukunft gewinnbringend zwischen Kokospalmen aufhängen.

Ref: arxiv.org/abs/1409.7219 : Wasserstoffspeicherung in Kohlenstoff aus festem Endosperm der Kokosnuss

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