Industriellen Wasserstoff aufreinigen und speichern – wie das gelingt

Wasserstoff ist für die moderne Wirtschaft unverzichtbar – sowohl als Energieträger als auch als Bestandteil vieler chemischer Synthesen. Zwar entsteht das Gas bei der Elektrolyse von Wasser in hochreiner Form. Doch bei etlichen industriellen Vorgängen bilden sich Wasserstoff-haltige Gasgemische, die sich nur mit großem Aufwand aufarbeiten lassen.

Um hochreinen Wasserstoff aus Gemischen mit anderen Gasen zu isolieren, haben Yoichi Hoshimoto von der Osaka University, Japan, und Kolleginnen und Kollegen, eine Lösung gefunden: Bororganische Verbindungen binden Wasserstoff, selbst bei möglichen Verunreinigungen. Daraus lässt sich reiner Wasserstoff isolieren.

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Wasserstoff entsteht bei zahlreichen industriellen Prozessen

Doch warum sind solche Umwege überhaupt erforderlich? Dazu ein Beispiel: Als chemischer Vorläufer des Ammoniaks, das bei der Düngemittelproduktion verwendet wird, hat Wasserstoff dazu beigetragen, die Lebensmittelproduktion weltweit auszubauen. Beim Haber-Bosch-Verfahren wird ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff an einem Eisenoxid-Mischkatalysator zu Ammoniak umgesetzt – aber nicht quantitativ. Nach der Umsetzung befindet sich immer noch Wasserstoff im Gemisch.

Es gibt auch zahlreiche Methoden zur Herstellung von Wasserstoff, wie etwa die Reaktion von Hochtemperatur-Wasserdampf mit Erdgas. Solche Verfahrensschritte führen letztlich zu Rohwasserstoff, der mit anderen Gasen verunreinigt ist. Für die kommerzielle Nutzung von Wasserstoff müssen alle Verunreinigungen durch mehrstufige, energieintensive, teure Prozesse entfernt werden. Solche Verfahren sind komplex; sie werden unabhängig voneinander für jede Verunreinigung optimiert, was die Extraktion des Wasserstoffs aus dem Rohgemisch, das die Nebenprodukte enthält, erschwert.

Reinigungsverfahren sind aufwändig, teuer – und führen auch nicht immer zur gewünschten Qualität des Wasserstoffs. So kann beispielsweise schon eine geringe Menge Kohlenmonoxid weitere Verfahrensschritte hemmen. Es „vergiftet“, sprich inaktiviert, viele Katalysatoren mit Edelmetallen. Daher sind kostspielige Reinigungsverfahren erforderlich, um den Wasserstoff vor der Speicherung zu isolieren.

Mit der Borchemie zu reinem Wasserstoff

Hoshimotos Team hat mit jetzt einem Trick gearbeitet. Grundlage der Studie waren Bororganische Verbindungen, also Moleküle mit Bor-Kohlenstoff-Bindung. In die engere Wahl kamen sogenannte Triarylborane. An jedem Boratom hängen drei Benzolringe, daher ihr Name. Triarylborane sind recht preisgünstig, stabil und – anders als flüchtige Borverbindungen – vergleichsweise ungiftig. Sie lassen sich auch gut lagern.

Die Verbindungen speichern Wasserstoff mit bis zu 99-prozentiger Effizienz. Spalten Forschende solche Moleküle wieder, gelangen sie zu hochreinem Wasserstoff mit bis zu 99,9-prozentiger Reinheit. Danach kann die ursprüngliche Verbindung, das Triarylboran, isolieren und erneut einsetzen.

„Der industrielle Wert von molekularem Wasserstoff wurde lange Zeit durch erhebliche Mengen von Kohlenmonoxid und anderen Verunreinigungen beeinträchtigt“, erklärt Hoshimoto. „Bei der von uns entwickelten katalytischen Hydrierungsmethode war jedoch selbst ein fünffacher Überschuss an Verunreinigungen kein Problem, und die Wasserstoffaufnahme und -abgabe erfolgte jeweils ohne den Einsatz von Lösungsmitteln.“

Mit dieser Arbeit gelang Hoshimotos Arbeitsgruppe eine Proof-of-Concept-Studie für ein neuartiges Wasserstoffproduktionsverfahren, das separate Reinigungsschritte vor der Speicherung überflüssig macht. Die Forschenden zeigen auch, wie es gelingen könnte, Wasserstoff als Energieträger aus industriellen Ressourcen effizienter zu nutzen.

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Neue Speichermöglichkeiten von Wasserstoff

Die Handhabung großer Mengen gasförmigen Wasserstoffs bleibt auch mit der neuen Herausforderung. Nahezu zeitgleich zur Studie über Borverbindungen haben US-Forschende eine neue Möglichkeit entwickelt, hochreinen Wasserstoff zu speichern. Grundlage sind verschiedene Salze, vor allem Carbonate und Hydrogencarbonate. Mangan, das als Metallkatalysator weit verbreitet wird, kommt hinzu.

Die Forschenden fanden heraus, dass die Umwandlung von Bicarbonat und Wasserstoff in Formiat (dem Salz der Ameisensäure), mit Kaliumsalzen, mit einem Katalysator auf Manganbasis und mit Lysin (einer Aminosäure) am effektivsten abläuft. Nach fünf Zyklen produzierte das Reaktionssystem Wasserstoff mit hoher Ausbeute (80%) und hoher Reinheit (99%). „Diese Technik ebnet den Weg für eine groß angelegte Wasserstoffspeicherung in Festkörpern“, erklären die Forscher. Jetzt hoffen sie auf vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Praxis.

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