Ein stabiler Katalysator für die Wasserstoffwirtschaft der Zukunft

So funktioniert Ameisensäure als Speichersystem für Wasserstoff: Kohlenstoffdioxid (CO₂) reagiert mit grünem Wasserstoff (H₂) mithilfe eines Katalysators zu Ameisensäure (HCOOH). So kann Wasserstoff langfristig und mit weniger Aufwand gespeichert, gelagert und transportiert werden. Vor der Rückverstromung wird der Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators aus der Ameisensäure freigesetzt. Das Team um Regina Palkovits hat sich damit beschäftigt, diesen Katalysator zu optimieren. Das abgetrennte Kohlenstoffdioxid wird anschließend zurückgeführt, um erneut mit Wasserstoff verbunden zu werden und Ameisensäure zu bilden. Grün ist der Wasserstoff, wenn Wasser zuvor mit Strom aus regenerativen Quellen in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt worden ist. Grafik: Forschungszentrum Jülich/Reisen

Ein maßgeschneiderter Katalysator soll dabei helfen, das Potenzial von Wasserstoff für die grüne Energieversorgung von morgen zu steigern. Forschende der RWTH Aachen, des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr und des Forschungszentrums Jülich arbeiten an einer neuen Lösung, um den in seinem natürlichen Zustand schwer handhabbaren Wasserstoff besser nutzbar zu machen.

Wasserstoff ist stark flüchtig und hat eine sehr geringe volumetrische Dichte. Der Grundgedanke ist, größere Moleküle zu nutzen, die Wasserstoff enthalten. Sie können mit weniger Aufwand gespeichert, gelagert und transportiert werden. So haben die Anwender die Möglichkeit, die Stärken des Wasserstoffs als klimafreundlicher Speicher für große Mengen Energie oder als Einsatzstoff in der Industrie besser nutzen zu können.

Es gibt bereits eine Reihe gut erforschter Moleküle wie Methanol, die als Träger für Wasserstoff infrage kommen. Die Gruppe aus Aachen, Mülheim an der Rur und Jülich hat als Trägermoleküle die Verbindungen der Ameisensäure im Blick, für die sie einen Katalysator entwickelt hat. Der Katalysator hat die wichtige Aufgabe, die Dehydrierung, also das Freisetzen des Wasserstoffs aus dem größeren Molekül, zu verstärken.

Erschienen im Journal of Catalysis

Der neu entwickelte Katalysator basiert auf einer Verbindung von Ruthenium und Phosphor. Im Labor hat er gezeigt, dass er Wasserstoff auch dauerhaft aus Ameisensäure freisetzen kann, ohne seine Wirksamkeit zu verlieren. Diese Eigenschaft will das Team im nächsten Schritt für das der Ameisensäure ähnliche Methylformiat nachweisen und so die vorteilhaften Eigenschaften des Moleküls nutzbar machen. Insbesondere setzt Methylformiat den gespeicherten Wasserstoff schneller frei als andere Trägermoleküle wie Methanol. Die Studie des Teams ist im Journal of Catalysis erschienen.

Dass Methylformiat ein lohnendes Ziel sein kann, hatte im vergangenen Jahr ein Team des Leibniz-Instituts für Katalyse (LIKAT) in Rostock in einer Veröffentlichung beschrieben. Methylformiat kann CO₂-neutral hergestellt werden, es ist im Gegensatz zu Ammoniak und Methanol ungiftig und mit dem richtigen Katalysator setzt es den Wasserstoff 20-mal schneller frei als Methanol. Es wird aus Methanol und Ameisensäure hergestellt.

Das LIKAT-Team hatte seine Ergebnisse mithilfe der sogenannten homogenen Katalyse auf Ruthenium-Basis erzielt. Das bedeutet, dass der Katalysator Ruthenium und das Methylformiat beide in derselben Phase an der Reaktion teilnehmen. In diesem Fall sind beide in einem flüssigen Zustand. Für eine Dehydrierung im industriellen Maßstab birgt die homogene Katalyse Herausforderungen, weil die Katalysator-Moleküle nur schwer von der Flüssigkeit getrennt werden können, beispielweise wenn sie an Aktivität verlieren. Die heterogene Katalyse nutzt dagegen Feststoffe, die sehr gut von Flüssigkeiten und Gasen getrennt werden können. Das ist ein großer Vorteil für technische Prozesse.

Katalysator bleibt aktiv

„In unserer Studie haben wir einen Feststoff-Katalysator gezeigt, der das Potenzial haben kann, während der Freisetzung des Wasserstoffs aktiv zu bleiben, weil er nicht mit in die Flüssigkeit gerissen wird“, sagt Prof. Regina Palkovits, Direktorin am Institut für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft in Jülich und Lehrstuhlinhaberin für Heterogene Katalyse und Technische Chemie an der RWTH Aachen.

Regina Palkovits und ihr Team haben für die Wasserstofffreisetzung aus Ameisensäure eine solche heterogene Katalyse angewendet, bei der die Ameisensäure weiter in flüssiger Form vorliegt, das Ruthenium aber in einer Feststoffumgebung an der Reaktion teilnimmt. Auch hierbei besteht die Herausforderung, das Deaktivieren des Katalysators zu verhindern. „Wir wollen erreichen, dass unser Katalysator sich nicht mitreißen lässt und seine Arbeit langfristig erledigt“, erklärt Regina Palkovits das Ziel.

Prof. Regina Palkovits forscht auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse. Foto: Forschungszentrum Jülich/Jansen

Auf Methylformiat anpassen

Deswegen hat das Forschenden-Team dem Ruthenium als Stabilisator Phosphor zur Seite gestellt. So behalten die Ruthenium-Atome ihre Position, anstatt sich zu lösen, zu verklumpen und so Teile ihrer Reaktionsoberfläche zu verlieren. „Wir konnten so im Labor einen über die Versuchsdauer von zweieinhalb Tagen konstanten Gasstrom an freigesetztem Wasserstoff erzielen“, schildert der Chemiker Sebastian Seidel die Ergebnisse des mit Phosphor stabilisierten Ruthenium-Katalysators.

Im Labor hat das Team zunächst mit Ameisensäure gearbeitet, die ebenfalls als Wasserstoffträger infrage kommt, aber mit zwei Atomen weniger Wasserstoff bindet als Methylformiat mit vier. Ameisensäure und Methylformiat gehören der gleichen Gruppe von Molekülen an und haben ähnliche Eigenschaften. „Für unsere Katalysatorplattform ist Ameisensäure das einfachste Testmolekül. Die Ergebnisse, die wir hier erzielt haben, lassen aber den Rückschluss zu, dass unser Katalysator aus Ruthenium und Phosphor auch für die Dehydrierung von Methylformiat angepasst werden kann. Das wollen wir in Zukunft auch für andere Wasserstoff-Trägermoleküle nutzen“, erklärt Seidel.