Ein chemischer Durchbruch könnte das wahre Potenzial von pulverförmigem Wasserstoff als Kraftstoff erschließen

Forscher der Deakin University in Australien haben herausgefunden, dass Bornitrid, eine Haushaltschemikalie, die häufig in Farben, Kosmetika und Zahnzement verwendet wird, das Potenzial von Wasserstoff als Brennstoff erschließen könnte, heißt es in einer Pressemitteilung.

Angesichts einer drohenden Energiekrise und der Bedrohung durch den Klimawandel durch die Nutzung fossiler Brennstoffe war der Bedarf an alternativen Brennstoffen noch nie so groß. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, die Nutzung von Wasserstoff als alternative Energiequelle voranzutreiben. Allerdings bleiben Lagerung und Transport des Kraftstoffs umständlich und riskant.

Ein Forscherteam der Deakin University fand heraus, dass die Lösung dieses Problems in der einfachen Chemikalie namens Bornitrid liegt. Die Entdeckung war so überraschend, dass die Forscher selbst die Experimente 20 bis 30 Mal wiederholten, um ihre Ergebnisse zu bestätigen und an das Potenzial der Chemikalie zu glauben.

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Wie der Name schon sagt, ist die Chemikalie das Ergebnis einer chemischen Reaktion zwischen Bor und Stickstoff, die zu einer chemisch und thermisch beständigen Verbindung führt. Aufgrund dieser Eigenschaften findet die Chemikalie Anwendung im Metallguss, wird aber auch in der näheren Umgebung als Schmiermittel in Farben und Kosmetika verwendet.

In Pulverform wirkt Bornitrid als Absorptionsmittel und ist recht gut geeignet, da es auch bei geringem Platzbedarf eine hohe Absorptionskapazität aufweist. Die Forscher nutzten seine Absorptionsfähigkeit, um Gase in einer Kugelmühle zu trennen. Eine Kugelmühle ist eine Art Mühle und besteht aus Edelstahlkugeln, die in einer Kammer mit einer Mischung aus Gasen platziert werden, die getrennt werden müssen.

Anschließend wird die Kammer mit hoher Geschwindigkeit rotieren lassen, wobei die mechanochemische Reaktion zwischen den Kammerwänden der Kugelmühle, den Edelstahlkugeln und dem darin befindlichen Bornitridpulver dazu führt, dass ein Gas vom Pulver absorbiert wird.

In der Pressemitteilung heißt es, dass aus einem Gasgemisch nur eine Gasart vom Pulver absorbiert wird, das dann aus der Mühle entnommen und bei Raumtemperatur transportiert werden kann. Im Hinblick auf Wasserstoff handelt es sich um eine recht einfache Methode, den Kraftstoff gegen die derzeit verwendeten Hochdruckbehälter oder Ultrakühlung zu transportieren. Um das Gas freizusetzen, muss das Pulver unter Vakuum erwärmt werden. Sobald das Gas abgesaugt ist, kann das Pulver wiederverwendet werden.

Diese Technologie kann nicht nur zu zukünftigen Kraftstoffen beitragen. Derzeit nutzen Ölraffinerien ein Verfahren namens „kryogene Destillation“, um Rohölbestandteile wie Benzin und Kochgas zu trennen. Dabei handelt es sich um einen energieintensiven Prozess, der etwa 15 Prozent des weltweiten Energiebedarfs ausmacht.

Die Forscher sind zuversichtlich, dass ihre pulverbasierte Gastrennung auch für Rohölbestandteile effektiv ist. Unter Testbedingungen benötigte ihr Aufbau 76,8 KJ/s Energie, um 1000 l Gase zu trennen und zu speichern. Dies sei eine 90-prozentige Reduzierung des Energieaufwands, der derzeit für die „kryogene Destillation“ aufgewendet wird, heißt es in der Pressemitteilung.

Bisher hat das Forschungsteam nur versucht, mit seiner Methode jeweils einige Liter Gase zu trennen. Sie planen nun, die Technologie im großen Maßstab zu testen.

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Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der Zeitschrift Materials Today veröffentlicht.

Abstrakt: Leichte Kohlenwasserstoff-Olefin- und Paraffingasgemische entstehen bei der Erdgas- oder petrochemischen Verarbeitung. Die petrochemische Industrie trennt Kohlenwasserstoffgasgemische mithilfe eines energieintensiven kryogenen Destillationsprozesses, der 15 % des weltweiten Energieverbrauchs ausmacht [1]. Um den Energieverbrauch zu senken, ist die Entwicklung eines neuen energiesparenden Trennverfahrens erforderlich. In dieser Forschung entwickeln wir einen umweltfreundlichen und energiearmen mechanochemischen Trennprozess, bei dem Bornitrid (BN)-Pulver bei Raumtemperatur in der Atmosphäre eines Alkin- oder Olefin-Paraffin-Mischgases in einer Kugelmühle gemahlen werden. BN adsorbiert selektiv eine viel größere Menge an Alkin- und Olefingas als Paraffingase, und somit wird das Paraffingas nach dem Kugelmahlprozess gereinigt. Das adsorbierte Olefingas kann durch einen Niedertemperatur-Erhitzungsprozess aus dem BN zurückgewonnen werden. Der mechanochemische Prozess erzeugt extrem hohe Aufnahmekapazitäten von Alkin- und Olefingasen im BN (708 cm3/g für Acetylen (C2H2) bzw. 1048 cm3/g für Ethylen (C2H4)). Nach unserem besten Wissen haben BN-Nanoblätter mithilfe von Kugelmahlen die höchsten Aufnahmekapazitäten für Alkin-/Olefingase erreicht, die allen anderen bisher beschriebenen Materialien überlegen sind. Die chemische Analyse zeigt, dass große Mengen an Olefingasen quasi-chemisch an den in situ gebildeten BN-Nanoblättern über die Bildung von CN-Bindungen adsorbiert wurden, wohingegen kleine Mengen an Paraffingasen physikalisch an BN-Nanopartikeln adsorbiert wurden. Dieser skalierbare mechanochemische Prozess hat großes Potenzial als industrielle Trennmethode und kann erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen.