Ein neuer Kristall setzt bereits ab etwa 80 Grad Celsius Wasserstoff und Methan frei. Die Verbindung enthält Magnesium, Zink und chemisch gebundene Bestandteile beider Brenngase. Damit demonstriert die Studie einen festen Ausgangsstoff, aus dem durch Erwärmung zwei gasförmige Energieträger entstehen können. Ein praktisch nutzbarer oder wiederaufladbarer Energiespeicher ist damit noch nicht nachgewiesen.
Das Team um Sheetal Kathayat Bisht und Ajay Venugopal vom Indian Institute of Science Education and Research Thiruvananthapuram beschreibt die Verbindung in einer Studie in Science Advances. Der chemische Name lautet Magnesiumhydridomethylzincat, die Formel Mg[(CH₃)ZnH₃]. Der Kristall gehört zu den metallorganischen Verbindungen und enthält zahlreiche Hydridbestandteile, also chemisch gebundenen Wasserstoff. Seine Besonderheit ist die Freisetzung zweier unterschiedlicher Brenngase aus einem definierten Ausgangsstoff. Dafür benötigt das Material keine großen zusätzlichen Stützliganden, wie sie in vielen metallorganischen Verbindungen vorkommen.
Unter sauerstofffreien Bedingungen und ohne Lösungsmittel setzt die Verbindung bei vergleichsweise niedriger Temperatur Wasserstoff und Methan frei. Die Autoren beschreiben den Vorgang als reduktive Eliminierung. Dabei werden chemische Bindungen umgeordnet, und aus gebundenen Bestandteilen entstehen die gasförmigen Produkte. Zurück bleiben nach der Untersuchung elementares Magnesium und Zink. Der Ausgangsstoff verändert sich somit grundlegend.
Das unterscheidet den Prozess von einer Flasche, in der ein bereits vorhandenes Gas lediglich unter Druck gespeichert ist. Beim Öffnen einer solchen Flasche bleibt der Behälter chemisch weitgehend unverändert. Hier dagegen ist die Bildung des Gases Bestandteil einer Reaktion. Die niedrige Freisetzungstemperatur ist deshalb eine wichtige Materialeigenschaft, aber noch keine vollständige Beschreibung des Energieaufwands. Auch die Herstellung der Ausgangsverbindung muss in eine spätere Bilanz eingehen.
Wasserstoff besitzt bezogen auf seine Masse einen hohen Energieinhalt, nimmt als Gas unter normalen Bedingungen aber viel Raum ein. Technische Speicher arbeiten deshalb unter anderem mit hohen Drücken, sehr niedrigen Temperaturen oder Materialien, die Wasserstoff binden. Jede Variante bringt unterschiedliche Anforderungen an Behälter, Energieaufwand und Betriebsweise mit sich. Feste chemische Träger sind eine dieser Möglichkeiten. Ihr Nutzen hängt davon ab, wie viel Gas sie unter welchen Bedingungen tatsächlich bereitstellen können.
Dabei gibt es grundverschiedene Mechanismen. Bei Ansätzen mit Palladium-Nanoteilchen als Wasserstoffspeicher steht die Bindung an einem Material im Vordergrund. Das neue Magnesiumzinkat wird dagegen bei der Gasfreisetzung chemisch umgesetzt. Diese Unterscheidung ist für Wiederverwendung und Anlagenplanung entscheidend. Zwei feste Materialien sind deshalb nicht schon dann technisch vergleichbar, wenn beide beim Erwärmen Wasserstoff abgeben.
Der Ausgangsstoff enthält neben Wasserstoff auch Kohlenstoff sowie die deutlich schwereren Metalle Magnesium und Zink. Ein großer Teil seiner Masse besteht damit aus Bestandteilen, die nicht als Wasserstoffgas abgegeben werden. Die Summenformel enthält insgesamt sechs Wasserstoffatome und ein Kohlenstoffatom. Entsteht daraus idealisiert ein Methanmolekül mit vier Wasserstoffatomen, bleiben zwei Wasserstoffatome für ein Wasserstoffmolekül übrig. Diese einfache Stoffbilanz erklärt, weshalb die beiden Gase gemeinsam betrachtet werden müssen.
Aus der Formel lässt sich zudem eine theoretische Größenordnung berechnen. Bei idealer vollständiger Umsetzung zu einem Molekül Methan und einem Molekül Wasserstoff pro Formeleinheit entspräche der Wasserstoffgasanteil ungefähr 1,9 Prozent der Ausgangsmasse. Das ist eine Rechnung aus der chemischen Zusammensetzung, keine Angabe zur experimentell gemessenen Ausbeute. Der übrige gasförmige Brennstoff wäre überwiegend Methan. Eine hohe Gesamtmenge freigesetzter Brenngase darf daher nicht mit einer ebenso hohen Wasserstoffspeicherkapazität gleichgesetzt werden.
Wasserstoff und Methan besitzen unterschiedliche chemische und technische Eigenschaften. Ein Gemisch könnte für bestimmte Verbrennungsprozesse interessant sein, erfüllt aber nicht automatisch die Anforderungen jeder Wasserstoffanwendung. Soll ein Prozess besonders reinen Wasserstoff erhalten, wäre eine Trennung der Gase oder ein anderes Nutzungskonzept erforderlich. Dafür müssten Zusammensetzung, Reinheit und zeitlicher Verlauf der Freisetzung genau bekannt sein. Der Nachweis beider Produkte beantwortet diese Anwendungsfragen noch nicht vollständig.
Auch die Klimabilanz ergibt sich nicht allein daraus, dass Wasserstoff beteiligt ist. Methan enthält Kohlenstoff und bildet bei vollständiger Verbrennung Kohlendioxid. Zusätzlich sind Herkunft der Ausgangsstoffe und Energiebedarf der Herstellung relevant. Die Freisetzung bei 80 Grad Celsius bedeutet deshalb weder kostenlose Energie noch automatisch einen emissionsfreien Brennstoff. Eine technische Bewertung müsste den gesamten Weg von der Herstellung bis zur Nutzung und gegebenenfalls Wiederaufbereitung erfassen.
Nach einer Gasfreisetzung müssten Magnesium und Zink wieder in einen geeigneten Ausgangsstoff überführt werden, wenn das System mehrfach genutzt werden soll. Diese Regeneration kann einen anderen chemischen Prozess und zusätzliche Energie benötigen. Ein wiederaufladbarer Speicher ist erst dann überzeugend demonstriert, wenn auch dieser Kreislauf funktioniert. Dazu gehören eine ausreichende Zahl von Zyklen und möglichst geringe Materialverluste. Die einmalige Freisetzung eines Gases ist ein wichtiger erster Befund, ersetzt diesen Nachweis aber nicht.
Wie eng Materialherkunft und Speichertechnik zusammenhängen, zeigen andere Arbeiten zu Wasserstoffspeichern aus metallhaltigen Industrieabfällen. Für das neue Magnesiumzinkat bleiben außerdem Herstellbarkeit in größeren Mengen, Lagerstabilität und kontrollierte Gasabgabe zu bewerten. Der eigentliche Fortschritt liegt zunächst in der Chemie: Eine klar definierte feste Verbindung kann beide Brenngase unter vergleichsweise milden Bedingungen liefern. Ob daraus ein sinnvoller Energieträger wird, entscheidet sich an der nutzbaren Kapazität und am vollständigen Materialkreislauf.
Science Advances, A solid magnesium zincate for hydrogen-methane evolution; doi:10.1126/sciadv.aej2622
U.S. Department of Energy, Hydrogen Storage