Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Chemie

Fachgebiet: Angewandte Homogenkatalyse

Betreuer: Prof. Dr. Matthias Beller



Dipl. Chem. Peter Sponholz
(e-mail: peter.sponholz@catalysis.de )

Hydrogen production and Storage for a sustainable Hydrogen economy

Verbesserungen in der Wasserstofftechnologie, sprich dessen Erzeugung, Speicherung und Verstromung sind notwendig, um Wasserstoffanwendungen voranzutreiben. Erst kürzlich ist hierbei die Verwendung von Kohlendioxid als Baustein für die Wasserstoffspeicherung in den Fokus gekommen. Durch die reversible Fixierung von Wasserstoff an CO2, kann ein nachhaltiger Zyklus der Wasserstoffspeicherung entstehen. Vor allem Methanol und Ameisensäure bieten dafür entsprechend hohe Wasserstoffanteile. Ein Zyklus würde sich dann aus der Hydrierung von CO2 zu dem entsprechendem Speichermedium und der Wasserstofffreisetzung aus diesem Medium zusammensetzen. Basierend auf diesem Prinzip konnte eine sogenannte „Wasserstoff-Batterie“ gezeigt werden. Durch die Hydrierung von CO2 entsteht Ameisensäure, welche zu einem gewünscht Zeitpunkt zu den beiden Ausgangstoffen zurück reagieren kann. Neben diesem Zyklus konnten auch gezeigt werden, dass die Ameisensäuredehydrierung in einer eigens gebauten Pilotanlage durchgeführt werden kann. Zum Einen konnte der hierfür entwickelte Katalysator hohe Umsatz- sowie Aktivitätsraten erreichen und zum Anderen entstanden Wasserstoffdurchflüsse, welche die Nutzung von 50 W Geräten erlauben würde. Alternativ weißt Methanol höher Wasserstoffanteile auf und kann ebenfalls durch die Hydrierung von CO2 hergestellt werden. Für die Wasserstofferzeugung aus Methanol wurden verschiedene molekular-definierte Ruthenium- wie auch Eisenkatalysatoren entwickelt, durch dessen Einsatz ein CO2-neutraler Wasserstoffspeicherzyklus entstehen könnte.

Advances in hydrogen technology such as the generation of hydrogen, its storage and its conversion to electrical energy are required for the application of hydrogen as a power source. Recently, the use of carbon dioxide as a suitable storage material for hydrogen has received considerable attention. It is a significant advantage that this cycle (i.e. the conversion of carbon dioxide to hydrogen carriers) is both reversible and sustainable. Liquid methanol and formic acid combine high hydrogen contents with a good stability. A cycle consisting of hydrogen storage by catalytic hydrogenation of carbon dioxide and the subsequent release by catalytic dehydrogenation could be a desirable hydrogen storage method. We have established an experimental setup of a “hydrogen-battery” based on hydrogenation of CO2 to formic acid and its dehydrogenation back to CO2. For the latter reaction in a continuous flow setup, sufficient turnover numbers and turnover frequencies were achieved to meet the requirements of hydrogen supply for applications in the 50 W range. Noteworthy, both reactions, hydrogenation and dehydrogenation, could be also catalyzed using more abundant iron catalysts. Another promising alternative hydrogen storage material is methanol, which possesses a distinctly increased hydrogen content compared to formic acid and can also be formed from H2 and CO2. To close the CO2-neutral storage cycle in this case, we developed different molecularly defined ruthenium and iron catalysts for aqueous-phase methanol reforming to produce hydrogen with remarkable activities and stabilities at mild conditions.