Polymer-based hydrogen carriers

Auf der Suche nach der Reduzierung von CO2-Emissionen und der Sicherung einer nachhaltigen Energiezukunft hat sich Wasserstoff als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Energiesystemen herausgestellt. Ein bedeutender Nachteil bei der Realisierung der Wasserstoffwirtschaft ist jedoch die Entwicklung effizienter und sicherer Speichersysteme. Die Speicherung von Wasserstoff bleibt ein herausforderndes Thema, insbesondere für mobile und stationäre Anwendungen. Polymerbasierte Träger stellen eine überzeugende Lösung dar, da sie eine sicherere und kompaktere Speichermethode bieten, ohne dass hohe Drücke oder kryogene Bedingungen erforderlich sind. Diese Forschung untersucht verschiedene polymere Materialien, die in der Lage sind, Wasserstoff reversibel zu speichern und freizusetzen, mit dem Potenzial, die Ziele des US-Energieministeriums zu erreichen. Ein umfassender Vergleich von polymeren und festen Wasserstoffträgern zeigt, dass bislang kein einzelnes Speichersystem für alle Anwendungen als ideal erwiesen hat.
Die Studie beginnt mit der Untersuchung des Hydrierungspotential von Poly(9-vinylcarbazol) (PVCz), einem Polymer mit hoher Wasserstoffspeicherkapazität. Trotz umfangreicher Bemühungen, die Hydrierung unter verschiedenen Bedingungen mit verschiedenen Katalysatoren, Lösungsmitteln und Reaktionsparametern zu erreichen, stellte sich die Hydrierung von PVCz als besonders herausfordernd heraus. Sterische Hinderung und elektronische Effekte innerhalb der Polymerstruktur trugen wahrscheinlich zu den Schwierigkeiten in der Reaktion bei und wiesen auf die Notwendigkeit weiterer Forschungen zu Katalysatoranpassungen oder alternativen Ansätzen hin, um diese Barrieren zu überwinden.
Weitere Untersuchungen konzentrierten sich auf Poly(2-vinylnaphthalene) (PVN) als potenzielles leichtes Feststoff-Wasserstoffspeichermaterial. Mit einer theoretischen gravimetrischen Wasserstoffkapazität von 5,2 % weist PVN wünschenswerte Eigenschaften wie Formbarkeit, geringe Toxizität und einfache Lagerung auf, was es zu einem starken Kandidaten sowohl für stationäre als auch für mobile Wasserstoffanwendungen macht. Experimentelle Ergebnisse zeigten eine Hydrierungsausbeute von 76 % bei Verwendung eines Rutheniumkatalysators (Ru/Al₂O₃) unter moderaten Bedingungen, wobei die Reaktion zu Poly(2-vinyldecalin) führte. Die Reversibilität des Hydrierung Prozess war nahezu vollständig, mit einer Ausbeute von 90 % während der Dehydrierung unter Verwendung eines palladiumbasierten Katalysators, was das Potenzial von PVN für wiederholte Wasserstoffaufnahme und -freisetzung hervorhebt. Diese Studie legt nahe, dass eine weitere Optimierung der katalytischen Reaktionsparameter die Leistung von PVN für praktische Wasserstoffspeicher verbessern könnte. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Bedingungen der Hydrierungsreaktion wie Temperatur, Druck und Reaktionsdauer optimiert wurden und die Wirkung des Katalysators innerhalb von vier verschiedenen kommerziellen Metallkatalysatoren untersucht wurde.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Forschung auf ein breiteres Spektrum von vinyl-aromatischen Polymeren ausgeweitet, darunter Poly(1-vinylanthracen), Poly(N-vinylcarbazol), Poly(9-vinylphenanthren) und Polystyrol in Fortführung mit Poly(2-vinylnaphthalene). Bei der Verwendung eines dreiphasigen heterogenen Katalysesystems wurden signifikante Unterschiede in der Wasserstoffspeicherkapazität zwischen den Polymeren beobachtet. Poly(9-vinylphenanthren) stach mit der höchsten gravimetrischen Wasserstoffaufnahme von 5,78 % hervor, begleitet von hohen Hydrierung - (90 %) und Dehydrierung (98 %). Poly(2-vinylnaphthalene) schnitt ebenfalls gut ab, mit einer Wasserstoffaufnahme von 4,90 % und ähnlich hoher Dehydrierungseffizienz. Im Gegensatz dazu wiesen Polystyrol, Poly(1-vinylanthracen) und Poly(N-vinylcarbazol) niedrigere Speicherkapazitäten auf, was darauf hinweist, dass nicht alle vinyl-aromatischen Polymere gleichermaßen für Wasserstoffspeicheranwendungen geeignet sind.
Im Laufe dieses Projekts wurden strukturelle Änderungen in den Polymeren sorgfältig mit Techniken wie Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie und Protonen-Nuklearmagnetresonanzspektroskopie analysiert. Diese Analysen lieferten Einblicke in die Mechanismen der Wasserstoffaufnahme und -freisetzung und verdeutlichten, wie unterschiedliche Polymerstrukturen die Leistung der Wasserstoffspeicherung beeinflussen. Abschließend unterstreicht diese Forschung das Potenzial von vinyl-aromatischen Polymeren als effiziente Wasserstoffspeichermaterialien, wobei einige ein erhebliches Potenzial für den Einsatz im Wassertransport und in praktischen Anwendungen aufweisen. Sie weist jedoch auch auf die fortwährenden Herausforderungen bei der Optimierung der Hydrierung - und Dehydrierungsprozesse hin.