Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Opbevaring af hydrogen Hydrogen Krav til materialer Eksempler på materialer.

Præsentationer af emnet: "Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Opbevaring af hydrogen Hydrogen Krav til materialer Eksempler på materialer."— Præsentationens transcript:

1 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Opbevaring af hydrogen Hydrogen Krav til materialer Eksempler på materialer til hydrogenopbevaring H 2 -opbevaring – forskning på Kemisk Institut

2 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut H 1s 1 Hydrogen Name Electron Configuration Atom masse Atom nummerSymbol Boiling Point [K] Melting Point [K] Density [gcm -3 ] at 300K 1.0079 1 0.0899 14.025 20.288 Hydrogen findes ikke frit som H 2, kun i kemiske forbindelser, fx H 2 O 2H 2 O2H 2 + O 2 Diatomig gas: H 2 molekyler - Fysisorption Hydrogen – et grundstof H atom - Kemisorption -252.9 ° C -259.1 °C

3 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Hydrogen H 2 ρ(H 2 (l)) = 71 g/L T kp = - 253 ° C ρ(H 2 O(l)) = 1000 g/L Energiindhold: Volumetrisk: H 2 (g) (350 bar) 3MJ/L, H 2 (l) 8 MJ/L smlg. benzin 32 MJ/L GravimetriskH 2 113 MJ/kg smlg. benzin 38 MJ/kg Fasediagram for H 2 Hydrogen fylder for meget

4 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut 400 km i bil – 25L benzin – 7 kg H 2 i forbrændingsmotor ELLER 3.5 kg H 2 i brændselscelle Jensen, Aktuel Naturvidenskab, 2004, 1, 11-14.

5 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Høj energitæthed på vægt- og volumenbasis EU > 5w/w% hydrogen, USA > 6.5 w/w% God kinetik = Hurtig fyldning og tømning God termodynamik = lav driftstemperatur og –tryk, lav reaktionsvarme i forbindelse med H 2 optag og afgivelse Stabilitet ved mange gentagne fyldninger og tømninger Tolerance overfor urenheder i brinten Høj sikkerhed ved normal brug - lille risiko i uheldssituationer Lav pris Krav til et mobilt hydrogenlager

6 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Det skal være lette grundstoffer

7 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Fysisorption - Hydrogen molekyler H 2 adsorberet i fast stof 10.17 Å 17.73 Å Hircher, Adv. Mater. 2005, 5, 538. Carbon nanorør Fysisorption, ΔH 1-10 kJ/mol H 2, hurtig optagelse og afgivelse, Men lille kapacitet, ca. 2 w/w% ved T = -196 ° C, p(H 2 ) = 1-10 bar

8 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut m (w/w%) V (g/L) T desorption ( ° C) LiBH 4 18.5 121380 NaBH 4 10.7 114400m Gravimetrisk H 2 indhold V Volumetrisk H2 indhold LiAlH 4 10.6 87 >125 NaAlH 4 7.5 94 210 (H 2 (l)) = 70.8 g/L Mg 2 FeH 6 5.5 150 320 MgH 2 7.6 110 350 TiFeH 2 1.9 107 ca. 50 LaNi 5 H 6 1.4 121 ca. 50 Møller, Dansk Kemi, 2005, 9, 27. Materialer til H 2 opbevaring på fast form

9 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Design af nye legeringer - magnesium Energiindhold MgH 2 (7.6w/w% H 2 ) Kinetik H 2  2H, ikke spontan, katalysator, Fe, V, Zr, Ni, Ti Diffusion af H i Mg for langsom – brug nanopartikler Termodynamik H 2 afgivelse fra MgH 2, T > 280  C,  H = 75 kJ/mol Mg + H 2 → MgH 2 + varme - nano-komposit materialer, destabilisering af hydrider Regne eksempel : 3.5 kg H 2 optages i tank på 10 min ca. 300 L H 2 O opvarmes fra 0 til 100  C, Effekt ca. 200 kW Appl. Phys. A, 2006, 82, 515. J. Alloys and Comp., 2005, 404, 323. Int. J. Hydrogen Energy, 2006, in press

10 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Nye materialer til H 2 opbevaring Komplekse metal hydrider Bogdanovic et al, J. Alloys and Comp. 2003, 350, 246; Adv. Mater., 2003, 12, 1012. Andre eksempler: LiAlH 4 NaAlH 4 Mg(AlH 4 ) 2 Strukturen af NaAlH 4 Aluminium danner sammensat ion med hydrogen AlH 4 - Mod ion, Na +

11 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Både struktur og mekanisme for hydrogen afgivelse er ‘kompleks’ NaAlH 4 Teoretisk ca. 5.5 w/w% H 2 (ca. 4.5 w/w% H 2, reversibelt) Hydrogen afgivelse ved 120-180  C katalyseret med titan T = 185°C NaAlH 4 (s)  NaAlH 4 (l) T = 230°C, 3.7 mass% H 2 3NaAlH 4 (l)   -Na 3 AlH 6 (s) + 2Al + H 2 T = 252°C  -Na 3 AlH 6 (s)   -Na 3 AlH 6 (s) T = 265°C, 1.85 mass% H 2  -Na 3 AlH 6 (s)  3NaH(s) + Al(s) + 3 / 2 H 2 (g) T = 425°C, 1.85 mass% H 2 NaH(s)  Na(l) + 1 / 2 H 2 Bogdanovic et al, J. Alloys and Comp. 2003, 350, 246; Adv. Mater., 2003, 12, 1012.

12 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Forskningsmæssige udfordringer Bedre forståelse af sammenhæng mellem struktur og egenskaber på nano- skala Udvikle nye nano-komposit materialer, der kombinerer fysisorption og kemisorption Ændring af reaktionsmekanismer destabilisering af hydrider Nye katalysatorer... Destabilisering af metal hydrider AH 2 A + H 2 B + H 2 AB + 2H 2 AH 2 + BH 2 BH 2 Nyt intermediat, ny reaktionsvej, mindre reaktionsvarme Lille reaktions - varme

13 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut NaBH 4 + H 2 O 4H 2 + NaBO 2 ”Kemisk hydrogenopbevaring”

14 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Syntese: Våd kemi, faststofreaktioner, ”mekanisk- legering” (kuglemølle) Karakterisering: PCT instrument, TGA/DSC termisk analyse, faststof NMR, småvinkelspredning (X-ray) og in situ X-ray pulverdiffraktion (25<T<900 ° C; 1 mbar<p<30 bar) Synkrotronstrålingsfaciliteter: MaxLab, Lund og NSLS, New York. H 2 -opbevaring – forskning på Kemisk Institut

15 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut CCD X-ray Prøve Røntgendiffraktion 2θ2θ

16 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut In situ X-ray pulverdiffraktion

17 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut NaK 2 AlH 6 NaAlH 4 +KH (1:2) + H 2 (g) 2θ2θ Tid Intensitet

18 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Li 3 AlN 2 ? Li 2 NH/LiNH 2 + Al Li 3 AlH 6 + Li 2 NH/LiNH 2 + Al LiAlH 4 + LiNH 2 (1:2)

19 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Der er stadig hårdt brug for nye banebrydende ideer/opdagelser Konklusion

20 Jens-Erik Jørgensen, Lektor A A R H U S U N I V E R S I T E T Kemisk Institut Hydrogen-gruppen Bitten Møller, Lene Mosegaard, Line Thomsen, Ole Larsen, Dorthe Ravnsbæk, Erik Hansen, Maja Olesen, Jens Erik Jørgensen og Torben R. Jensen, Flemming Besenbacher og Ronnie Vang Økonomisk støtte: Ib Henriksen Fonden, Familien Hede Nielsens Fond, Carlsberg Fonden, Statens Naturvidenskabelige Forskningsråd, Statens Tekniskvidenskabelige Forskningsråd, Det Strategiske Forskningsråd