Ein Forschungsteam bestehend aus NIMS und dem Tokyo Institute of Technology hat Materialien identifiziert, die in der Lage sind, die Umwandlung von Orthowasserstoff in Parawasserstoff zu katalysieren. Diese Katalysatoren sollten für die Verbreitung des Massentransports/der Massenspeicherung von flüssigem Wasserstoff von wesentlicher Bedeutung sein. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Erkundung.
Wasserstoff wird zunehmend als alternative Energiequelle zu fossilen Brennstoffen akzeptiert. Seine Verflüssigung (bei Temperaturen unter -253 °C und einem Druck von mehr als einer Atmosphäre) kann sein Volumen drastisch reduzieren, wodurch es sich für Transport und Lagerung eignet. Wasserstoffmoleküle (H2), die jeweils aus zwei Wasserstoffatomen bestehen, liegen in zwei isomeren Formen vor: ortho- und para-H2.
Unter normalen Bedingungen liegen ortho- und para-H2 im Verhältnis 3:1 vor, wobei ortho-H2 energetisch etwas instabiler ist als para-H2. Durch die allmähliche Abkühlung von H2 auf seine Verflüssigungstemperatur wandelt sich das gesamte ortho-H2 in para-H2 um, wodurch stabiles flüssiges H2 entsteht.
Die schnelle Abkühlung von H2 unter hohem Druck – die für die Verflüssigung erforderlich ist – verzögert die Umwandlung von ortho in para während des Abkühlvorgangs, sodass erhebliche Mengen an ortho-H2 im erzeugten flüssigen H2 zurückbleiben. Die restlichen ortho-H2-Moleküle isomerisieren während der Lagerung weiter zu para-H2, was eine teilweise Verdampfung des flüssigen H2 auslöst und zu einem erheblichen Verlust an H2 und Energie führt.
Die Wahl geeigneter Katalysatoren vor dem Verflüssigungsprozess kann dieses Problem aufgrund der beschleunigten ortho-zu-para-Umwandlung lösen. Bisherige Katalysatoren waren jedoch nicht in der Lage, die Umwandlung ausreichend zu beschleunigen, und es war daher wünschenswert, wirksamere Katalysatoren zu entwickeln.
Dieses Forschungsteam untersuchte die Fähigkeit von mehr als 170 festen Materialien – darunter Metalle und Ionenkristalle –, die Ortho-zu-Para-Umwandlung zu katalysieren. Das Team stellte fest, dass Manganoxid (Mn3O4) und Kobaltoxid (CoO) eine deutlich höhere katalytische Leistung aufwiesen als herkömmliche Katalysatoren auf Eisenoxidbasis. Darüber hinaus identifizierte das Team wichtige Faktoren, die die katalytischen Aktivitäten dieser Materialien bei der Beschleunigung der Ortho-zu-Para-Umwandlung beeinflussen.
Die Wasserstoffverflüssigung ist von entscheidender Bedeutung für den Wasserstofftransport über große Entfernungen auf dem Seeweg von großen Wasserstoffproduzenten/-exporteuren (insbesondere Australien und dem Nahen Osten) zu Wasserstoffimporteuren wie Japan.
Die in diesem Forschungsprojekt entwickelten Katalysator-Designrichtlinien und Hochleistungskatalysatoren dürften Japan bei der Umsetzung seines Plans zur Umsetzung des Konzepts der Wasserstoffwirtschaft in die Praxis erheblich unterstützen.
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Hideki Abe et al., Erforschung eines heterogenen Katalysators für die ortho-para-Umwandlung von molekularem Wasserstoff, Erkundung (2023). DOI: 10.1002/EXP.20230040