Mit einem neuen Nanomaterial auf dem Weg zu einer verbesserten Wasserstoff-Kraftstoffproduktion

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Ein neues Nanomaterial hilft bei der Gewinnung von Wasserstoff aus einem flüssigen Energieträger – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer stabilen und sauberen Kraftstoffquelle.
Wasserstoff ist eine nachhaltige Quelle für saubere Energie, die giftige Emissionen vermeidet und einen Mehrwert für verschiedene Wirtschaftssektoren wie Transport, Stromerzeugung und Metallherstellung bieten kann.  Technologien zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff schließen die Lücke zwischen nachhaltiger Energieerzeugung und Kraftstoffnutzung und sind daher ein wesentlicher Bestandteil einer tragfähigen Wasserstoffwirtschaft.
Herkömmliche Speicher- und Transportmittel sind jedoch teuer und anfällig für Verunreinigungen.

Aus diesem Grund suchen Forscher nach alternativen Techniken, die zuverlässig, kostengünstig und einfach sind. Effizientere Wasserstoffversorgungssysteme würden vielen Anwendungen wie der stationären Energieversorgung, der tragbaren Energieversorgung und der mobilen Fahrzeugindustrie zugute kommen.

Wie jetzt in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet wird, haben Forscher ein effektives Material entwickelt und synthetisiert, um einen der limitierenden Schritte bei der Extraktion von Wasserstoff aus Alkoholen zu beschleunigen.

Das Material, ein Katalysator, besteht aus winzigen Clustern aus Nickelmetall, die auf einem 2D-Substrat verankert sind.
Das Team unter der Leitung von Forschern am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Molecular Foundry fand heraus, dass der Katalysator die Reaktion, die Wasserstoffatome aus einem flüssigen chemischen Träger entfernt, sauber und effizient beschleunigen kann.

Das Material ist robust und wird aus erdverbundenen Metallen hergestellt, im Gegensatz zu bestehenden Optionen aus Edelmetallen, und wird dazu beitragen, Wasserstoff zu einer brauchbaren Energiequelle für eine breite Palette von Anwendungen zu machen.
“Wir präsentieren hier nicht nur einen Katalysator mit höherer Aktivität als andere Nickelkatalysatoren, die wir getestet haben, für einen wichtigen erneuerbaren Energieträger, sondern auch eine breitere Strategie zur Verwendung von erschwinglichen Metallen in einem breiten Spektrum von Reaktionen”, sagte Jeff Urban, der Direktor der Inorganic Nanostructures Facility an der Molecular Foundry, der die Arbeit leitete.
Die Forschung ist Teil des Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), einem Konsortium, das vom U.S. Department of Energy’s Office of Energy finanziert wird.

Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (EERE) finanziert wird.

Dabei arbeiten fünf nationale Laboratorien auf das Ziel hin, die wissenschaftlichen Lücken zu schließen, die die Weiterentwicklung von festen Wasserstoffspeichermaterialien blockieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit fließen direkt in die [email protected]Vision des EERE für eine erschwingliche Wasserstoffproduktion, -speicherung, -verteilung und -nutzung in verschiedenen Wirtschaftssektoren ein.

Chemische Verbindungen, die als Katalysatoren fungieren, wie die von Urban und seinem Team entwickelte, werden üblicherweise verwendet, um die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu erhöhen, ohne dass die Verbindung selbst verbraucht wird – sie können ein bestimmtes Molekül in einer stabilen Position halten oder als Zwischenstufe dienen, die es ermöglicht, einen wichtigen Schritt zuverlässig zu vollenden.

Für die chemische Reaktion, bei der Wasserstoff aus flüssigen Trägern erzeugt wird, werden die effektivsten Katalysatoren aus Edelmetallen hergestellt. Diese Katalysatoren sind jedoch mit hohen Kosten und geringer Häufigkeit verbunden und sind anfällig für Verunreinigungen. Andere weniger teure Katalysatoren, die aus gebräuchlicheren Metallen hergestellt werden, sind tendenziell weniger effektiv und weniger stabil, was ihre Aktivität und ihren praktischen Einsatz in der Wasserstoffproduktionsindustrie einschränkt.
Um die Leistung und Stabilität dieser auf Erdmetallen basierenden Katalysatoren zu verbessern, modifizierten Urban und seine Kollegen eine Strategie, die sich auf winzige, einheitliche Cluster aus Nickelmetall konzentriert.

Winzige Cluster sind wichtig, weil sie die Exposition der reaktiven Oberfläche in einer gegebenen Menge an Material maximieren.

Aber sie neigen auch dazu, zu verklumpen, was ihre Reaktivität hemmt.
Die Postdoc-Assistentin Zhuolei Zhang und der Projektwissenschaftler Ji Su, beide an der Molekularen Gießerei tätig und Co-Autoren der Studie, entwickelten und führten ein Experiment durch, das die Verklumpung bekämpfte, indem sie Nickel-Cluster mit einem Durchmesser von 1,5 Nanometern auf ein 2D-Substrat aus Bor und Stickstoff aufbrachten, das so konstruiert war, dass es ein Gitter aus Grübchen im atomaren Maßstab enthielt.

Die Nickelcluster verteilten sich gleichmäßig und verankerten sich sicher in den Vertiefungen. Dieses Design verhinderte nicht nur das Verklumpen, sondern verbesserte durch seine thermischen und chemischen Eigenschaften die Gesamtleistung des Katalysators durch die direkte Wechselwirkung mit den Nickelclustern.
“Die Rolle der darunter liegenden Oberfläche während der Clusterbildung und der Ablagerungsphase hat sich als kritisch erwiesen und könnte Hinweise zum Verständnis ihrer Rolle in anderen Prozessen liefern”, so Urban.
Detaillierte Röntgen- und Spektroskopiemessungen, kombiniert mit theoretischen Berechnungen, enthüllten viel über die darunter liegenden Oberflächen und ihre Rolle in der Katalyse. Mit Hilfe von Werkzeugen an der Advanced Light Source, einer DOE-Nutzereinrichtung am Berkeley Lab, und computergestützten Modellierungsmethoden identifizierten die Forscher Veränderungen in den physikalischen und chemischen Eigenschaften der 2D-Schichten, während winzige Nickelcluster unberührte Bereiche der Schichten besetzen und i

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