11/01/2017
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van de Universität Bayreuth hebben een efficiënt en duurzaam systeem voor de opslag van waterstof ontwikkeld. Houtafval is een belangrijke potentiële waterstofbron.
Het aandeel duurzame energie in de energievoorziening stijgt en daarmee de noodzaak om dalen fluctuaties in de opwekking van zonne- en windenergie te compenseren. De uitdaging op dit moment is grotere hoeveelheden energie op te slaan en bij behoefte aan te spreken. Wereldwijd zijn onderzoekers bezig met mogelijkheden om waterstof als energiedrager te gebruiken.
Katalysator voor waterstofopslag
Een veelbelovende benadering betreft vloeibare organische waterstofdragers (liquid organic hydrogen carriers, LOHC). Het gaat hierbij om organische verbindingen die in staat zijn waterstof op te nemen en weer af te geven.
Prominente voorbeelden voor zulke LOHC's zijn zogeheten N-heterocyclische verbindingen. Deze kleine moleculen bestaan uit koolstofringen waarbij op een bepaalde plaats een stikstofatoom de plaats inneemt van een koolstofatoom. Een bekend voorbeeld is N-ethylcarbazol (NEC). Dit molecuul kan onder geschikte temperaturen en drukken tot twaalf waterstofatomen binden en weer vrijmaken. In beide gevallen vindt een chemische reactie plaats, die door een katalysator kan worden gestart en gestuurd.
Een onderzoeksgroep aan de Universität Bayreuth heeft een katalysator ontwikkeld die duidelijk beter dan andere verbindingen geschikt is om NEC te 'laden' met waterstof. De katalysator bevat twee metalen, palladium (Pd) en ruthenium (Ru), die op een drager uit siliciumkoolstofnitride worden opgebracht. De chemische formule luidt derhalve Pd2Ru@SiCN.
Het opslagpotentieel van de NEC-moleculen kan met deze katalysator vergaand worden benut. En met dezelfde katalysator is het mogelijk de gebonden waterstofatomen weer uit de NEC-moleculen los te maken.
Houtafval als grondstof
De nieuwe katalysator leverde de onderzoekers uit Bayreuth nog een tweede succes op. De LOHC's die tot nu toe voor de opslag van waterstof werden gebruikt, zijn uiteindelijk allemaal afkomstig uit fossiele bronnen als kolen en aardolie, chemische verbindingen waarvan de voorraden eindig zijn. Dit geldt ook voor N-ethylcarbazol (NEC). Het is de onderzoekers gelukt om een organische waterstofdrager uit een duurzame grondstof te winnen.
Lignine is een afvalproduct uit de houtverwerking dat tot nu toe nauwelijks industrieel wordt gebruikt en ook niet geschikt is voor de productie van voedingsmiddelen. Met behulp van een eerder in Bayreuth ontwikkelde katalysator kan technisch zonder veel moeite uit lignine phenazine worden geproduceerd.
Deze stof bestaat uit een keten van drie koolstofringen, waarbij in de middelste ring twee koolstofatomen door stikstofatomen zijn vervangen. De katalysator Pd2Ru@SiCN maakt het mogelijk veertien waterstofatomen in een phenazinemolecuul te binden en bij behoefte ook weer vrij te maken.
Dit systeem voor waterstofopslag overtreft daarmee zelf de waterstofopslag die met NEC kan worden bereikt. Terwijl het in NEC gebonden waterstof maximaal ongeveer 4,8 gewichtsprocent van het totale molecuul vormt, wordt bij phenazine 7,2 gewichtsprocent bereikt. In verder onderzoek zullen de chemici hierop voortborduren (foto: Christian Wißler).