Wasserstoffspeicherung in Magnesium- und Zink-Hydriden: eine molekulare Annäherung

• Antragsteller: Professor Dr. Sjoerd Harder
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248837884

Eine effiziente, sichere und kostengünstige Speicherung von Wasserstoff ist ebenso für mobile als auch für industrielle Anwendungen von großer Relevanz. Der Fokus weltweiter Forschung ist auf Wasserstoffspeichermaterialien wie Magnesiumhydrid gerichtet, welches reversibel Wasserstoff abgeben und aufnehmen kann. Obwohl die Wasserstoffdesorptionstemperatur von 300 °C hoch ist, konnte für kleinere Magnesiumhydrid-Partikel (< 1 nm) eine günstigere Desorptionstemperatur berechnet werden (< 200 °C). Wir beabsichtigen, diese Problematik auf molekularer Ebene anzugehen und zielen auf die Synthese von Magnesiumhydrid-Clustern ab, die groß im Sinne einer molekularen Betrachtungsweise, aber klein aus materialchemischer Sicht sind. Diese Cluster sollen als Modellsysteme für Bulk-Materialien dienen und können exakt auf atomarer Ebene per NMR-Spektroskopie oder Kristallstrukturanalyse untersucht werden. Unser Ziel ist es, eine große Bandbreite unterschiedlich großer Magnesiumhydrid-Cluster herzustellen und so erste Anweisungen für die Beziehung zwischen Clustergröße und Wasserstoffdesorptionstemperatur zu bestätigen. Gleichzeitig sind wir an der Charakterisierung wohldefinierter molekularer Zersetzungsprodukte interessiert, welche sehr wahrscheinlich aus mehrkernigen (> 2) niedervalenten Mg(I)-Komplexen bestehen. Im gleichen Zuge sollen alternative synthetische Zugänge für die Präparation größerer Mg(I)-Cluster gefunden werden, welche für das detaillierte Studium des Wasserstoffaufnahmeprozesses dienen sollen. Ein Teil der Untersuchungen werden durch unsere Kooperationspartner unterstützt: Petra de Jongh (University of Utrecht) für Sievert- and DSC- Messungen und Peter Sirsch (Universität Tübingen) für ab-initio-Rechnungen. Aufgrund der nahen Verwandtschaft von Magnesium- und Zinkchemie soll die Synthese vergleichbarer Zinkhydrid-Cluster, deren Zersetzung und Isolierung mehrkerniger (> 2) Zn(I)-Komplexe ebenfalls als Teilprojekt einfließen. Das Verhältnis Mg/Zn in einem mehrkernigen Komplex kann ein wichtiger Faktor für die Wasserstoffspeicherungseigenschaften sein und daher sollen auch zinkdotierte Magnesiumhydrid-Cluster anvisiert werden. Zusätzlich beabsichtigen wir die Untersuchung der Dotierung mit Übergangsmetallen der ersten Reihe wie Sc, Ti oder Ni. Obwohl sich der größere Teil unseres Projektes auf Modellsysteme und molekulares Verständnis konzentriert, soll ein Teil unserer Aktivitäten auf die aufbauende Synthese mehr anwendungsbezogener Magnesiumhydrid/Zinkhydrid-Mischmaterialien abzielen, wobei diese als Bulk-Materialien oder in umschlossenen Freiräumen von Kohlenstoff-Nanofasern gewonnen werden sollen. Wir sind der Meinung, dass eine Kombination aus molekularer und Festkörperforschung zu einem detaillierten Verständnis des Wasserstoffeliminierungs- und Aufnahmeprozesses führen kann und dies ein Schlüsselschritt in der Entwicklung neuer Hydridmaterialien für zweckmäßige, sichere und kostengünstige Wasserstoffspeicherung ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen