Waterstofopslag

Eén van de belangrijkste aspecten van het gebruik van waterstof is de opslag ervan. Delftse onderzoekers werken aan nieuwe methodes en materialen voor veilige, goedkope en efficiënte opslag van waterstof. Hierbij wordt met name gekeken naar chemisch gebonden opslag in lichte metaalhydriden en gashydraten, hetgeen veelbelovende alternatieven zijn voor de conventionele opslag als vloeistof of onder (zeer) hoge druk. Het verbeteren van het inzicht in de moleculaire interacties tussen waterstof en het opslagmedium (vast of vloeibaar) speelt hierin steeds een belangrijke rol. Nanotechnologie biedt de mogelijkheid om vaste stof opslagsystemen te bouwen met de gewenste moleculaire structuren.

Een ijsblokje waterstof.... Klik hier voor een artikel over de Delftse ontdekking van waterstofopslag in gashydraten.

Complexe lichte metaal hydriden, oppervlakte adsorptie materialen.

Dr Fokko Mulder F.M.Mulder@remove-this.TUDelft.nl
afdeling: Fundamental Aspects of Materials and Energy (FAME)

+31 15 2784870

Efficiente waterstofopslag is een voorwaarde voor de succesvolle introductie van een energie economie gebaseerd op waterstof als energiedrager. Opslag van waterstof in materialen is een optie waarnaar intensief onderzoek wordt gedaan. De eisen aan succesvolle waterstofopslag materialen zijn een hoge opslag capaciteit (per kg en per m³), uitstekende reversibiliteit, en een gebruiks-temperatuur en -druk dicht bij omgevingstemperatuur en druk. Daarnaast zijn veiligheidsaspecten zeer belangrijk en is een lage kostprijs een vereiste. Momenteel zijn er geen materialen beschikbaar die aan alle eisen voldoen en wordt er wereldwijd onderzoek gedaan om geschikte materialen te vinden.

Er zijn verschillende typen waterstofopslag materialen. Er zijn materialen die waterstof chemisch binden, zoals bijvoorbeeld metaalhydriden. Daarnaast zijn er materialen die zeer poreus zijn en een grote hoeveelheid intern oppervlak bevatten waarop waterstof geadsorbeerd kan worden. Figuur 1 laat een aantal verschillende materialen zien uitgezet met de chemische energie die betrokken is bij het moleculaire opslag proces tegen de aangetoonde reversibele opslag capaciteit (in gewichts % waterstof). Wat betreft opslag capaciteit is het streven om ten minste boven de ~ 6 gewichtsprocent uit te komen. De chemische interactie sterkte bepaalt deels de gebruiks temperatuur en druk. De materialen die momenteel voldoende capaciteit hebben werken slechts bij hoge temperaturen. In Delft wordt ondermeer onderzoek gedaan naar lichte complexe metaalhydriden en aan nanoporeuze kristallijne materialen voor waterstofopslag vanuit de gasfase.

: Materialen voor waterstof opslag uitgezet tegen reversible capaciteit en interactie sterkte.

Complexe lichte metaalhydriden

Onderzoek wordt uitgevoerd aan nanogestructureerde materialen waaraan een catalysator is toegevoegd om de reversibiliteit en de gebruikstemperaturen te verlagen. Het onderzoek concentreert zich op het begrip van de werking van de nanostructurering en de catalysatoren om daarmee te komen tot het ontwerp van nieuwe materialen met betere capaciteit, reversibiliteit en gebruiks condities. Ook gedoopte en composiet materialen worden onderzocht met als doel de kinetiek, capaciteit en reversibiliteit te verbeteren. Materialen worden bestudeerd die uit de gasfase kunnen worden geladen.

: Links: Experimenten tonen aan dat het katalyseren en de nanostructurering van magnesium hydride leidt tot het ontstaan van magnesium hydride (midden) met grote dichtheden van deficienties. Dit is van groot belang voor de waterstof beladingskinetiek. Rechts: de katalysator blijkt gedeeltelijk verbindingen met het magnesium en de (onvermijdelijk) aanwezige zuurstof sporen aan te gaan (JACS 2005).

Nanoporeuze oppervlakte adsorptie materialen

Metal organic frameworks (MOF’s) zijn recent gevonden kristalijne materialen die nanometer grootte porien hebben en interne oppervlakken tot ~4500 m2g-1. Dit interne oppervlak is aanzienlijk groter dan dat van zeolieten en ook groter dan bij geactiveerde koolstof materialen of koolstof nanobuizen. In Delft wordt onderzoek gedaan naar de sterkte van de adsorptie interactie om te komen tot MOF’s met een circa 4 keer grotere interactie sterkte dan momenteel aangetoond is, en dat met grote capaciteit. Hiermee zou opslag bij gematigde druk en dicht bij kamertemperatuur dichterbij komen. Theoretische modellering, chemische synthese en verschillende experimentele karakterisatie methoden worden gebruikt.

: Nanoporeuze ‘metal organic frameworks’ (links) kunnen waterstof opslaan door waterstof adsorptie aan interne oppervlakken (rechts).