Untersuchung der Beziehung von Struktur und Reaktivität an stickstoffhaltigen flüssigen organischen Wasserstoffträger Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Görling; Professor Dr. Christian Papp; Professor Dr. Peter Wasserscheid
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419654270

Unter den Chemischen Speichertechnologien für Wasserstoff ist die Nutzung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHCs von liquid organic hydrogen carriers) besonders vielversprechend, da diese die Nutzung der bereits vorhandenen Infrastruktur für Öl und Benzin erlauben. LOHCs sind molekulare Systeme die aus wasserstoffarmen, zumeist aromatischen (H0-LOHC) und wasserstoffreichen, typischerweise alizyklischen oder heteroalizyklischen Flüssigkeiten (Hx-LOHC) bestehen. Der H0-LOHC kann unter katalytischen Bedingungen in einer exothermen Reaktion Wasserstoff aufnehmen, während der wasserstoffbeladene Träger ebenfalls in einer katalytischen, diesmal endothermen Reaktion den Wasserstoff wieder freigibt. Die bisherige Forschung an LOHC Systemen hat sich stark auf anwendungsorientierte Fragen konzentriert. Typischerweise wurden Fragen wie „Ist der LOHC in großen Mengen verfügbar? Ist er ausreichend widerstandsfähig? Ist er billig? Ist die Ökotoxizität bekannt?“ gestellt und haben so die Auswahl der LOHCs dominiert. Diese Prämissen führten auch zu einer bisher sehr eingeschränkten Anzahl an LOHC Systemen die untersucht wurden. Grundlegende Untersuchungen die ein „ideales LOHC Paar“ aufgrund rein wissenschaftlicher Erkenntnisse finden sollen fanden bisher nicht statt. Die Antragsteller werden nun unter Verwendung von moderner Computerchemie in Verbindung mit Analytik, Surface Science, und „Realkatalyse“ auf dem letzten Stand der Technik die Forschung hin zu einem idealen LOHC Paar das eine energiesparende und reversible Wasserstoff Speicherung und Freisetzung erlauben vorantreiben. Es ist unser Ziel stickstoffhaltige LOHC Systeme weiterzuentwickeln und zu verbessern. Dies geschieht anhand eines grundlegenden Verständnisses der Beziehung von Struktur und Reaktivität der reversiblen, heterogenen-katalysierten Hydrier- und Dehydrierreaktion unter der Verwendung von Modelkatalysatoren und Modellsubstanzen. Eine Vorauswahl neuer LOHC Systeme wird anhand von theoretischen Berechnungen getroffen, wobei hier spezielle Funktionalitäten und vorteilhafte thermodynamische und kinetische Eigenschaften im Mittelpunkt stehen. Diese Eigenschaften werden mit chemischer Stabilität kombiniert um eine hohe Reversibilität in den Hydrier- und Dehydrierzyklen zu erreichen. Zusätzlich werden die von uns anvisierten neuen LOHC Systeme sich z. B. durch eine besonders niedrige Dehydriertemperatur, einen besonders niedrigen Schmelzpunkt auszeichnen. Zum Erreichen dieser Eigenschaften werden die LOHC-Moleküle mit entsprechenden funktionalen Gruppen, dem molekularem Aussehen und elektronischen Eigenschaften ausgestattet, die sich in unseren Untersuchungen als vorteilhaft bewiesen haben. Das Projekt zielt somit auf eine wissensbasierte Entwicklung neuer LOHC Systeme mit verbesserter Leistung ab.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen