Wasserstoff kann in Ameisensäure chemisch gebunden und wieder freigesetzt werden. Das fanden Forschende um den Chemiker Henrik Junge am Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock heraus. Da hierbei Energie in Form von Wasserstoff chemisch eingespeichert wird und auf Abruf wieder ausgespeichert und in einer Brennstoffzelle verstromt werden kann, sprechen die Forschenden von einer Wasserstoff-Batterie. Für solche Batterien braucht es ein Element, dass viele bereits aus elektrochemischen Speichern kennen dürften: Mangan.
Ameisensäure ist unter Chemikern auch als Methansäure mit der Formel HCO2H bekannt. Gelingt es Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Aminosäure in einem Katalysator zu binden, entsteht dabei Ameisensäure. Als Speichermedium ist sie sich deutlich einfacher handzuhaben als reiner Wasserstoff, da dieser extrem flüchtig ist. Das Verfahren ist als katalytische Kohlenstoff-Hydrierung bekannt. Der Vorteil gegenüber einer direkten Umwandlung zu Methan: der Prozess ist effizient. Hinzu kommt, dass bei der Methanisierung ein Teil des Wasserstoffs in Form von Wasser verloren geht. Diese Umwandlungsverluste sind bei der Ameisensäure-Variante geringer.
Bereits in der Vergangenheit haben Forschende Katalysatoren zur Kohlenstoff-Hydrierung entwickelt. Bisher waren dafür aber Katalysatoren aus teuren und seltenen Edelmetallen notwendig. Rhodium, Ruthenium oder Iridium wurden zum Beispiel verwendet. Das Team aus Rostock hat stattdessen einen Katalysator aus einem Mangan-Komplex entwickeln können, der günstiger als andere Katalysatoren sein soll.
Um den Wasserstoff zu speichern, werden Aminosäure zusammen mit CO2 aus der Luft bei einer Temperatur von bis zu 115 Grad Celsius im Katalysator mit Wasserstoff zusammengebracht. Dabei entsteht Ameisensäure und Formiat, ein Salz der Ameisensäure. Bei der Hydrierung von Aminosäure zu Ameisensäure werden unter Versuchsbedingungen bis zu 93 Prozent des zugegebenen Wasserstoffs chemisch gebunden. Beim Ausspeichern, also der Umwandlung von Ameisensäure zu Wasserstoff und Aminosäure, werden 99 Prozent des eingespeicherten Wasserstoffs wieder frei.
Die Wasserstoff-Batterie muss einmalig mit Aminosäure und CO2 befüllt werden. Die Forschenden beobachteten dabei, dass 99,9 Prozent des Kohlenstoffdioxids beim Ein- und Ausspeichern in der Batterie erhalten bleiben. So entstehen keine versteckten CO2-Emissionen. Außerdem vereinfacht das die Handhabung. Zudem bleibt auch die Aminosäure stabil erhalten. Den Ergebnissen der Arbeitsgruppe nach erreichte die Batterie eine Umsatzzahl (turnover number) von zwei Millionen bei der Einspeicherung und 600.000 bei der Ausspeicherung. Zur Einordnung dieser Werte verglichen die Rostocker ihre Ergebnisse mit vergleichbaren Prozessen anderer Forschungsgruppen. Diese erzielten für ihre Wasserstoffbatterien Umsatzzahlen von 49 bis zu 31.600 für die Einspeicherung. Beim Ausspeichern sollen die anderen Forschungsgruppen Werte von 188 bis 1000 erreicht haben.
Die Ergebnisse der Gruppe erschienen im Mai im wissenschaftlichen Journal „Nature Energy“ und zählen noch zur Grundlagenforschung. Trotzdem könnte die Technologie einen schnellen Weg zur Markteinführung finden. Peter Sponholz, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Apex Group, einem Unternehmen in der Wasserstoffwirtschaft, hat an der Publikation mitgeschrieben. Zudem habe Apex bereits einen Antrag auf ein Patent auf das Verfahren gestellt.
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Wieviel Mangan wird gebraucht und woher kommt es?