In dieser Arbeit werden kompaktierte Verbundwerkstoffe aus verschiedenen Speichermaterialien mit expandiertem Naturgraphit (ENG) in Hinblick auf die Anwendung als dynamische Wasserstofffeststoffspeichermaterialien untersucht. Pulverförmige hydridbildende Ausgangsmaterialien wurden mit bis zu 25 Masse-% ENG vermischt und bei Pressdrücken bis 600 MPa kompaktiert. Um einen weiten Anwendungsbereich abzudecken wurden ein Niedrigtemperaturmaterial (Ti-Mn-basierte Legierung; 0°C bis 100°C), zwei Mitteltemperaturmaterialien (Amid- und Alanatsystem; 100°C bis 200°C) und ein Hochtemperaturmaterial (Magnesium-Nickel-Legierung; 250°C bis 400°C) basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche gewählt. Die Verbundwerkstoffe weisen eine erhöhte radiale Wärmeleitfähigkeit auf und zeichnen sich im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Pulverschüttungen durch höhere volumetrische Wasserstoffspeicherdichten aus. Im Fokus der Untersuchungen stehen vor allem die im Hinblick auf Anwendungstauglichkeit wesentlichen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe. So wurde z.B. der Wasserstoffdruck während der Dehydrierung variiert, um sicher zu stellen, Verbraucher mit üblichen Überdrücken versorgen zu können. Darüber hinaus wurde die Stabilität, Gaspermeabilität, Wärmeleitfähigkeit und Porosität der Presslinge im Verlauf zyklischer Hydrierung evaluiert und diskutiert. Insgesamt zeichnet sich ein hohes Potenzial ab, derartige Presslinge als Wasserstoffspeichermaterial für verschiedene Anwendungen entsprechend der jeweiligen Arbeitstemperaturen und weiteren Randbedingungen (z.B. Systemmasse, Tankvolumen etc.) zu verwenden. Diesbezüglich konnte mittels eines Tankdemonstrators basierend auf dem Ti-Mn-System ein Wasserstofffahrzeug erfolgreich betrieben und somit auch die Praxistauglichkeit der Hydrid-Graphit-Verbundmaterialien gezeigt werden. / Compacted composites of solid-state hydrogen storage materials and expanded natural graphite (ENG) are investigated in view of their potential for hydrogen storage applications. Powdery hydride-forming materials were blended with up to 25 weight-% ENG and compacted with up to 600 MPa compaction pressure. In order to cover a wide range of possible applications one low-temperature material (Ti-Mn-based alloy; 0°C to 100°C), two mid-temperature materials (amide and alante system; 100°C to 200°C) and one high-temperature material (magnesium-nickel alloy; 250°C to 400°C) were chosen based on a thorough literature review. The composites result in an increased radial thermal conductivity and are superior in their volumetric hydrogen storage density compared to commonly used loose powder beds. The research is focused on the applicability of suchlike prepared composites. In this regard, the dehydrogenation back-pressures were varied to ensure a sufficient supply pressure of common consumer loads. Furthermore, the stability, gas permeability, thermal conductivity and porosity throughout cyclic hydrogenation were evaluated and discussed. Overall, a high potential to use suchlike composite materials for hydrogen storage applications regarding the specific working conditions (temperature, system mass, available volume etc.) is found. In this regard, a demonstrator tank equipped with Ti-Mn-based system was successfully supplying a hydrogen driven vehicle, which proves the feasibility of these hydride-graphite composite materials.

Hydrogen is an efficient, carbon-free and safe energy carrier. However, its compact and weight-efficient storage is an ongoing subject for research and development. Among the intensively investigated hydrogen storage materials, lithium aluminum hydride (LiAlH4) is an attractive candidate because of its high theoretical hydrogen density (volumetric: 96.7g H2/l material; gravimetric: 10.6 wt.%-H2) in combination with rather low decomposition temperatures (onset temperature <100°C after doping). Although the reversible dehydrogenation of LiAlH4 must be carried out with the help of organic solvent, LiAlH4 can serve as single-use hydrogen storage material for various special applications, for example, hydrogen fuel cell systems. This thesis deals with transition metal (TM)-doped LiAlH4 aiming at tailored dehydrogenation properties. The crystal structure and morphology of TM-doped LiAlH4 is characterized by XRD and SEM respectively. The positive effects of four dopants (NiCl2, TiCl3, ZrCl4 and TiCl4) on promoting the dehydrogenation kinetics of LiAlH4 are systematically studied by thermal analysis. Based on the state of each TM chloride (solid or liquid), three low-energy-input doping methods (1. ball-milling at low rotation speed; 2. manual grinding or magnetic stirring; 3. magnetic stirring in ethyl ether) are compared in order to prepare LiAlH4 with the maximum amount of hydrogen release in combination with fast dehydrogenation kinetics. The dehydrogenation properties of the TM-doped LiAlH4 powders are measured under isothermal conditions at 80°C at a H2 pressure of 1 bar, which is within the operating temperature range of proton exchange membrane (PEM) fuel cells, aiming at applications where the exhaust heat of the fuel cell is used to trigger the dehydrogenation of the hydrogen storage material. Furthermore, the mid-term dehydrogenation behavior of TM-doped LiAlH4 was monitored up to a few months in order to test its mid-term storability. In addition, the pelletization of TM-doped LiAlH4 is investigated aiming at a higher volumetric hydrogen storage capacity. The effects of compaction pressure, temperature and the H2 back-pressure on the dehydrogenation properties of TM-doped LiAlH4 pellets are systematically studied. Moreover, the volume change through dehydrogenation and the short-term storage of the TM-doped LiAlH4 pellets are discussed in view of practical applications for PEM fuel cell systems. / Wasserstoff ist ein effizienter, kohlenstofffreier und sicherer Energieträger. Jedoch die kompakte und gewichtseffiziente Speicherung ist ein permanentes Forschungs- und Entwicklungsthema. Unter den intensiv untersuchten Materialien für die Wasserstoffspeicherung ist aufgrund der hohen theoretischen Speicherdichte (volumetrisch: 96,7 g H2/L, gravimetrisch: 10.6 Gew.%-H2) in Kombination mit sehr niedrigen Zersetzungstemperaturen (Anfangstemperatur < 100°C nach Dotierung) Lithium Aluminiumhydrid (LiAlH4) ein vielversprechender Kandidat. Obwohl die reversible Dehydrierung von LiAlH4 mit Hilfe von organischen Lösungsmitteln durchgeführt werden muss, kann LiAlH4-Pulver als Einweg-Speichermaterial für verschiedene Anwendungen dienen, beispielsweise für Wasserstoff/Brennstoffzellensysteme. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit LiAlH4 dotiert mit Übergangsmetall, mit dem Ziel maßgeschneiderte Dehydrierungseigenschaften zu erreichen. Die Kristallstruktur und die Morphologie der mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4-Pulver wurden mit Röntgenbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) charakterisiert. Weiterhin wurde der positive Effekt der Dotanden auf die reaktionsfördernde Dehydrierung von LiAlH4 systematisch mit Hilfe thermoanalytischer Methoden untersucht. Für jedes Übergangsmetall, welches in Form von Übergangsmetallchloriden vorlag, wurden drei Dotierungsmethoden mit niedrigem Energieeintrag (Kugelmahlen mit geringer Rotations-geschwindigkeit, manuelles Schleifen/Magnetrühren, Magnetrühren mit Ethylether) verglichen, um LiAlH4-Pulver mit einer maximalen Wasserstofffreisetzungsmenge in Kombination mit einer schnellen Dehydrierungskinetik zu erzielen. Die Dehydrierung des dotierten LiAlH4-Pulvers wurde unter isothermen Bedingungen bei 80°C und einem H2-Druck von 1 bar gemessen, was im Bereich der Betriebstemperatur von PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membran) liegt. Dadurch sollen Anwendungen anvisiert werden, bei denen die entstehende Abwärme der Brennstoffzelle genutzt wird, um die Dehydrierung des Wasserstoffspeichermaterials auszulösen. Zudem wurde das Dehydrierungsverhalten des dotierten LiAlH4 bis zu einigen Monaten kontrolliert, um die mittelfristige Haltbarkeit zu testen. Weiterhin wurde die Pelletierung des mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4 mit dem Ziel untersucht, eine hohe volumetrische Speicherkapazität zu erreichen. Der Einfluss des Pressdrucks, der Dehydrierungstemperatur und des H2-Gegendrucks auf die Dehydrierungseigenschaften der mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4-Presslinge wurde systematisch analysiert. Außerdem wird die Volumenveränderung durch die Dehydrierung und die Kurzzeitspeicherung der mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4-Presslinge im Hinblick auf praktische Anwendungen unter Nutzung der Brennstoffzelle diskutiert.

Die Speicherung von Wasserstoff in Form von Hydriden im festen Aggregatzustand hat den Vorteil einer hohen volumetrischen und gravimetrischen Wasserstoffspeicherdichte, die sowohl für die stationäre als auch die mobile Anwendung nötig ist. Um die Anforderungen dieser Anwendungen erfüllen zu können, müssen die Speichereigenschaften dieser Materialien weiter verbessert werden. Als zentrales Konzept dieser Dissertation wird die Nanostrukturierung verfolgt, die eine vielversprechende Strategie zur Modifizierung der thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften von Hydriden darstellt. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) stellt dabei eine unverzichtbare Untersuchungsmethode solch nanoskopischer Materialien dar. Als problematisch erweist sich dabei die durch Radiolyse hervorgerufene Zersetzung der meisten Hydride bei der Beleuchtung mit dem abbildenden Elektronenstrahl. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Methodik entwickelt um dieses Phänomen quantitativ mit Hilfe von Valenzelektronenenergieverlustspektroskopie zu untersuchen. Hierzu kommt kugelgemahlenes MgH2 als Modellsystem zum Einsatz. Die Dehydrierung kann quantitativ durch die inelastische Streuung der hochenergetischen Elektronen am MgH2-Plasmon erklärt werden. Eine Lösung dieses grundlegenden Problems wird theoretisch an Hand von Multislice TEM-Kontrastsimulationen untersucht. Hierbei wird ein TEM Experiment unter Wasserstoff bei Umgebungsdruck anstatt unter Vakuum simuliert, was mit Hilfe eines speziellen TEM Halters, in dem das Gas durch elektronentransparente Fenster eingeschlossen ist, realisiert werden kann. Im zweiten Teil wird der Einfluss des Nanoconfinements (Nanoeinschließung), einer speziellen Form der Nanostrukturierung, des komplexen Hydrids LiBH4 auf dessen Wasserstoffspeichereigenschaften untersucht, wofür eine neuartige nanoporöse aerogel-ähnliche Kohlenstoff-Gerüststruktur zum Einsatz kommt. Diese wird durch Salt Templating synthetisiert - einer simplen und nachhaltigen Methode zur Herstellung nanoporöser kohlenstoffbasierter Materialien mit großen Porenvolumina. Es wird gezeigt, dass durch das Nanoconfinement die Wasserstoffdesorptionstemperatur, die für makroskopisches LiBH4 bei über 400 °C liegt, auf 310 °C sinkt und die Desorption bereits bei 200 °C einsetzt. Eine teilweise Rehydrierung ist unter moderaten Bedingungen (100 bar und 300 °C) möglich, wobei die Reversibilität durch eine partielle Oxidation des amorphen Bor gehemmt ist. Im Gegensatz zu Beobachtungen einer aktuellen Veröffentlichung von in hoch geordnetem, nanoporösen Kohlenstoff eingebetteten LiBH4 deuten die in-situ TEM-Heizexperimente der vorliegenden Arbeit darauf hin, dass beide Reaktionsprodukte (B und LiH) in den Poren des aerogel-ähnlichen Kohlenstoffs verbleiben.:List of Figures vi 1. Introduction 1 2. Fundamentals 5 2.1. Solid state hydrogen storage 5 2.2. Thermodynamics 7 2.3. Magnesiumhydride, MgH2 9 2.4. Lithiumborohydride, LiBH4 10 2.5. Nanoconfinement 12 2.5.1. Nanoconfinement of MgH2 13 2.5.2. Nanoconfinement of LiBH4 15 2.6. Radiation damage of hydrides in the TEM 17 3. Theoretical and Experimental Methods 19 3.1. Ball milling 19 3.2. X-ray diffraction analysis 19 3.3. Thermal Characterization 20 3.3.1. Differential Scanning Calorimetry 20 3.3.2. Coupled Thermogravimetry and Mass Spectroscopy 21 3.4. Melt infiltration of LiBH4 21 3.5. Solid State Nuclear Magnetic Resonance 21 3.6. Transmission Electron Microscopy 23 3.6.1. In-situ TEM Heating 25 3.6.2. Environmental TEM 26 3.6.3. Electron Energy Loss Spectroscopy 28 3.6.4. Multislice Simulations 33 4. Electron Beam induced Dehydrogenation of MgH2 38 4.1. Microscopic Model of Hydrogen Release 38 4.2. Determination of Characteristic Electron Doses 39 4.3. Beam Damage Mechanism 42 4.4. Thickness Dependence of the Electron Dose 43 4.5. Conclusions for the Electron Beam Induced Dehydrogenation 47 4.6. Multislice Simulations for ETEM Studies 47 4.6.1. Methods of the Multislice Simulations 48 4.6.2. Results and Discussion of the Multislice Simulations 50 4.6.3. Conclusions of the Multislice Simulations 54 5. Nanoconfinement of LiBH4 in Aerogel-Like Carbon 56 5.1. Nanoporous Carbon Scaffolds 56 5.2. DSC Analysis of Melt Infiltration 58 5.3. XRD Analysis 59 5.4. Thermogravimetry and Mass Spectrometry Analysis 60 5.4.1. Hydrogen Desorption Properties of Nanoconfined LiBH4 60 5.4.2. Rehydrogenation of Nanoconfined LiBH4 63 5.5. In-situ STEM Analysis 63 5.6. Solid State 11B NMR 67 6. Conclusions 69 A. Appendix 71 A.1. Derivation of the Fourier-Log Deconvolution 71 A.2. Derivation of Equation 4.2 73 Bibliography 75 / Storing hydrogen in solid hydrides has the advantage of high volumetric and gravimetric hydrogen densities, which are needed for both stationary and mobile applications. However, the hydrogen storage properties of these materials must be further improved in order to meet the requirements of these applications. Nanostructuring, which represents one of the central approaches of this thesis, is a promising strategy to tailor the thermodynamic and kinetic properties of hydrides. Transmission electron microscopy (TEM) is an indispensable tool for the structural characterization of such nanosized materials, however, most hydrides degrade fast upon irradiation with the imaging electron beam due to radiolysis. In the first part of this work, a methodology is developed to quantitatively investigate this phenomenon using valence electron energy loss spectroscopy on ball milled MgH2 as a model system. The dehydrogenation can be quantitatively explained by the inelastic scattering of the incident high energy electrons by the MgH2 plasmon. A solution to this fundamental problem is theoretically studied by virtue of multislice TEM contrast simulations of a windowed environmental TEM experiment, which allows for performing the TEM analysis in hydrogen at ambient pressure rather than vacuum. In the second part, the effect of the nanoconfinement of the complex hydride LiBH4 on its hydrogen storage properties is investigated. For this, a novel nanoporous aerogel-like carbon scaffold is used, which is synthesized by salt templating - a facile and sustainable technique for the production of nanoporous carbon-based materials with large pore volumes. It is shown that the hydrogen desorption temperature, which is above 400 °C for bulk LiBH4, is reduced to 310 °C upon this nanoconfinement with an onset temperature as low as 200 °C. Partial rehydrogenation can be achieved under moderate conditions (100 bar and 300 °C), whereby the reversibility is hindered by the partial oxidation of amorphous boron. In contrast to recent reports on LiBH4 nanoconfined in highly ordered nanoporous carbon, in-situ heating in the TEM indicates that both decomposition products (B and LiH) remain within the pores of the aerogel-like carbon.:List of Figures vi 1. Introduction 1 2. Fundamentals 5 2.1. Solid state hydrogen storage 5 2.2. Thermodynamics 7 2.3. Magnesiumhydride, MgH2 9 2.4. Lithiumborohydride, LiBH4 10 2.5. Nanoconfinement 12 2.5.1. Nanoconfinement of MgH2 13 2.5.2. Nanoconfinement of LiBH4 15 2.6. Radiation damage of hydrides in the TEM 17 3. Theoretical and Experimental Methods 19 3.1. Ball milling 19 3.2. X-ray diffraction analysis 19 3.3. Thermal Characterization 20 3.3.1. Differential Scanning Calorimetry 20 3.3.2. Coupled Thermogravimetry and Mass Spectroscopy 21 3.4. Melt infiltration of LiBH4 21 3.5. Solid State Nuclear Magnetic Resonance 21 3.6. Transmission Electron Microscopy 23 3.6.1. In-situ TEM Heating 25 3.6.2. Environmental TEM 26 3.6.3. Electron Energy Loss Spectroscopy 28 3.6.4. Multislice Simulations 33 4. Electron Beam induced Dehydrogenation of MgH2 38 4.1. Microscopic Model of Hydrogen Release 38 4.2. Determination of Characteristic Electron Doses 39 4.3. Beam Damage Mechanism 42 4.4. Thickness Dependence of the Electron Dose 43 4.5. Conclusions for the Electron Beam Induced Dehydrogenation 47 4.6. Multislice Simulations for ETEM Studies 47 4.6.1. Methods of the Multislice Simulations 48 4.6.2. Results and Discussion of the Multislice Simulations 50 4.6.3. Conclusions of the Multislice Simulations 54 5. Nanoconfinement of LiBH4 in Aerogel-Like Carbon 56 5.1. Nanoporous Carbon Scaffolds 56 5.2. DSC Analysis of Melt Infiltration 58 5.3. XRD Analysis 59 5.4. Thermogravimetry and Mass Spectrometry Analysis 60 5.4.1. Hydrogen Desorption Properties of Nanoconfined LiBH4 60 5.4.2. Rehydrogenation of Nanoconfined LiBH4 63 5.5. In-situ STEM Analysis 63 5.6. Solid State 11B NMR 67 6. Conclusions 69 A. Appendix 71 A.1. Derivation of the Fourier-Log Deconvolution 71 A.2. Derivation of Equation 4.2 73 Bibliography 75

Using an optimized KOH activation procedure we prepared highly porous graphene scaffoldmaterials with SSA values up to 3400m² g⁻¹ and a pore volume up to 2.2 cm³ gˉ¹, which are among the highest for carbon materials. Hydrogen uptake of activated graphene samples was evaluated in a broad temperature interval (77–296 K). After additional activation by hydrogen annealing the maximal excess H2 uptake of 7.5 wt% was obtained at 77 K. A hydrogen storage value as high as 4 wt% was observed already at 193 K (120 bar H₂), a temperature of solid CO₂, which can be easily maintained using common industrial refrigeration methods.

Die eingereichte Dissertation mit dem Thema „Heterogen katalysierte Hydrodehalogenierung von Borhalogeniden im Rahmen eines in sich geschlossenen BNHx-Recyclingkonzepts“ beinhaltet drei für das BNHx-Recycling zentrale Reaktionsschritte: Supersäureaufschluss, Hydrodehalogenierung und den Basenaustausch. Mit Hilfe dieser drei Schritte ist es möglich, die Zersetzungsrückstände von BH3NH3(Polyaminoboran, Borazin und Polyborazylen) wieder in BH3NH3 zu überführen, ohne teure Reduktionsmittel wie LiAlH4 oder Hydrazin verwenden zu müssen. Das Verfahren ermöglichte in einem Durchlauf die Gewinnung von 60 % der eingesetzten Menge an BH3NH3 ohne eine Erzeugung von Abfallprodukten. Mit Hilfe der Chloralkalielelektrolyse kann das Verfahren an Wind- bzw. Solarkraftwerke gekoppelt und über diese alle benötigten Ausgangsstoffe hergestellt werden. Die katalytische Erzeugung von B-H-Spezies auf der Grundlage der Aktivierung von molekularem Wasserstoff ist als Schwerpunkt dieser Arbeit zu sehen. Die mechanistischen Studien lieferten ein genaueres Verständnis über fundamentale Zusammenhänge zwischen dem Lösungsmittel Et3N und der Wasserstoffbereitstellung über die N-CH2-Gruppierung sowie der Wirkungsweise des Katalysators.:1 Einleitung und Motivation 8 2 Literaturteil 15 2.1 Borazan (AB) Zersetzung 15 2.2 Regenerierung der Zersetzungsprodukte 17 2.3 Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Recyclingverfahren 20 2.3.1 Supersäure-Aufschluss zur Herstellung von BCl3 und BBr3 aus BNHx-Abfall 22 2.3.2 Bekannte Verfahren zur Herstellung von BCl3 23 2.3.3 Bekannte Verfahren zur Herstellung von BBr3 24 2.3.4 Basenaustausch zwischen Trialkylamin-Boranen und NH3 24 2.4 Hydrodehalogenierung 26 2.4.1 Gasphasen-Verfahren ohne Verwendung von Aminen als Hilfsbase 28 2.4.2 Flüssigphasen-Verfahren mit Aminen als Hilfsbase 31 2.4.3 Mechanistische Betrachtung 34 2.4.4 Hydrodehalogenierung von Borhalogeniden mit homogenen Katalysatoren 37 2.5 Amorphe Nickelboride als heterogene Katalysatoren 38 2.5.1 Synthese des amorphen Nickelborids 40 2.5.2 Angewandte Synthese- und Charakterisierungsmöglichkeiten zur Darstellung und Charakterisierung von amorphen Nickelboriden 41 2.5.3 Bekannte Hydrodehalogenierungen mit Nickelborid-Katalysatoren 47 2.5.4 Bekannte Nickelboride als Wasserstoffspeichermaterial 47 2.5.5 Nickelboranat (Ni(BH4)2) – Das wasserstoffreichste Nickelborid? 48 2.6 Heterogene Katalyse am Beispiel der Hydrodehalogenierung von Amin-BX3-Addukten (X=Cl, Br, I) in flüssiger Phase (Et3N) 51 2.6.1 Stofftransport innerhalb eines Drei-Phasen-Slurry-Reaktors 51 2.7 Methoden zur Bestimmung einer Katalysatorvergiftung (TPR) und zur Bestimmung der katalytischen Aktivität (TDS) des amorphen Nickelborids 55 2.7.1 Temperaturprogrammierte Reduktion (TPR) 55 2.7.2 Temperaturprogrammierte Desorption (TDS) 58 3 Ergebnisteil und Diskussion 59 3.1 Charakterisierung von amorphen Nickelboriden der allgemeinen Zusammensetzung NixByHz 59 3.1.1 Bestimmung der katalytischen Produktivität und der Aktivität am Beispiel der Hydrodehalogenierung von Et3NBCl3 59 3.1.2 Bestimmung des Ni/B-Verhältnisses mittels ICP-OES 61 3.1.3 Photoelektronenspektroskopie (XPS) -Bestimmung der Elementzusammensetzung an der Katalysatoroberfläche 62 3.1.4 TPR-Nachweis für das Vorhandensein oxidierter Metall-Spezies im Material 70 3.1.5 DSC-Untersuchung der Phasenumwandlung 73 3.1.6 TPD-Untersuchung der Wasserstoffabgabe 75 3.1.7 Wiederbeladung des Materials mit Wasserstoff (Zyklenstabilität) 81 3.1.8 PXRD-Röntgenpulverdiffraktometrie 84 3.1.9 IR-Spektroskopische Untersuchung zur Aufklärung der Bindungssituation des Wasserstoffs in amorphen Nickelboriden 90 3.1.10 TEM- und REM-Aufnahmen zur Bestimmung der Morphologie von amorphem Nickelborid 94 3.1.11 Bestimmung der BET-Oberfläche durch N2-Physisorption (T=-196 °C) 97 3.1.12 Zusammenfassung der Ergebnisse der Katalysatoraufklärung 100 3.2 BNHx-Abfall Recycling und die Wiedergewinnung von BH3NH3 102 3.3 Die Herstellung von BX3 (X= Cl, Br) aus BNHx –Abfall 102 3.3.1 Supersäure-Aufschluss von Polyaminoboran (BH2NH2)x mit AlCl3/HCl/CS2 und AlBr3/HBr/CS2 103 3.3.2 Supersäure- Aufschluss von Borazin AlCl3/HCl/CS2 106 3.3.3 Supersäure-Aufschluss von stark vernetztem Polyborazylen (PB) mit den Systemen AlCl3/HCl/CS2 und AlBr3/HBr/CS2 108 3.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der vorgestellten Aufschlussverfahren 112 3.3.5 Mechanistische Betrachtungen zum Supersäure-Aufschluss des BNHx-Abfalls 113 3.4 Reaktionstechnische Untersuchungen zur Hydrode-halogenierung von Borhaliden des Typs BX3 (Cl, Br, I) 116 3.4.1 Stofftransportphänomene innerhalb der heterogen katalysierten Hydrodehalogenierung 117 3.4.2 Diffusion der Reaktanten in der flüssigen Phase zum Katalysator 119 3.4.3 Wechselwirkungseinflüsse der Addukte Et3NBCl3, Et3NBHCl2, Et3NBH2Cl und Et3NBH3 auf den Katalysator 122 3.4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Stofftransport-Untersuchungen 123 3.5 Katalytische Hydrodehalogenierung von Et3NBCl3 123 3.5.1 Verfolgung der Reaktion über die Probenentnahme der Flüssigphase und Konzentrationsbestimmung mittels 11B NMR-Spektroskopie 124 3.5.2 Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten durch die Verwendung der Methode der Anfangsgeschwindigkeit 133 3.5.3 Katalytische Hydrodehalogenierung anderer Et3NBX3 (X=Br,I) Addukte 134 3.5.4 Nebenreaktionen – Eine Frage von Temperatur und Druck 138 3.6 Reaktionsmechanismus-Aufklärung am Beispiel der Hydrodehalogenierung von Et3NBCl3 145 3.6.1 Die Rolle des tertiären Amins 146 3.6.2 Die Rolle des Katalysators 154 3.6.3 Markierungsexperimente mit schwerem Wasserstoff (D2) 158 3.6.4 Einfluss von Radikalstartern auf die Reaktionsgeschwindigkeit der HDC 162 3.7 Disproportionierung von Et3NBH2Cl durch BCl3-Überschuss 165 3.8 Basenaustausch- Synthese von BH3NH3 aus Et3NBH3 und NH3 167 4 Thermodynamische Bewertung beider Recycling-Verfahren (Cl und Br) auf der Basis der Standard-Reaktionsenthalpien 170 5 Zusammenfassung der Ergebnisse 176 5.1 Amorphe Nickelboride 176 5.2 Supersäureaufschluss 178 5.3 Hydrodehalogenierung 178 5.4 Basenaustausch 180 5.5 Durchführung eines vollständigen Zyklus: Von der Dehydrierung bis zur Synthese von BH3NH3 180 5.6 Bewertung des Recyclingprozesses- Kopplung des Verfahrens mit einer Chloralkalielektrolyse 181 6 Ausblick 184 7 Anhang 185 7.1 Experimenteller Teil 186 7.1.1 Herstellung des BNHx-Abfalls (spent fuel) 186 7.1.2 Supersäure-Aufschluss des BNHx-Abfalls mit dem System AlCl3/HCl/CS2 187 7.1.3 Supersäure-Aufschluss des BNHx-Abfalls mit dem System AlBr3/HBr/CS2 189 7.1.4 Bestimmung der Donor-Akzeptor-WW in Bortrihalid- Trialkylaminkomplexen 190 7.2 Synthese des amorphen Nickelboridkatalysators 198 7.2.1 Probenvorbereitung und Analyseparameter für die einzelnen Analysemethoden 200 7.3 Synthese von wasserstoffreichem Nickelborid unter wasserfreien Bedingungen 203 7.4 Hydrodehalogenierung 204 7.4.1 Experimente für den Katalysatorvergleich in Kapitel 3.1.1 205 7.4.2 Hydrodehalogenierungsexperimente aus Kapitel 3.5 205 7.4.3 Experimente mit Probenentnahme aus Kapitel 3.4 206 7.4.4 Hydrodehalogenierung mit anderen Borhalogenid-Addukten (Et3NBBr3, Et3NBI3) aus Kapitel 3.5.3 206 7.4.5 Hydrodechlorierungsexperimente mit Me2EtN und Me3N 206 7.4.6 Markierungsexperimente mit schwerem Wasserstoff siehe Kapitel 3.6.3 207 7.4.7 Testexperiment Imminiumsalzbildung 207 7.4.8 Nebenreaktionen der Hydrodehalgenierung durch thermische Zersetzung der Addukte 208 7.5 Disproportionierung 209 7.6 Basenaustausch zwischen Et3NBH3 und NH3 210 7.7 Durchführung eines vollständigen Recycling-Zyklus 211 7.7.1 Die Dehydrierung von BH3NH3 (Herstellung von Polyborazylen) 211 7.7.2 Supersäureaufschluss des Polyborazylens 211 7.7.3 Hydrodechlorierung von BCl3 213 7.7.4 Basenaustausch-Experiment 214 8 Kalorimetrie –Bestimmung thermodynamischer Stoffdaten 215 9 NMR-Daten ausgewählter Zersetzungsprodukte von Et3NBX3-Addukten 216 10 Verzeichnisse 217 10.1 Abkürzungsverzeichnis 217 10.2 Tabellenverzeichnis 219 10.3 Abbildungsverzeichnis 221 11 Liste verwendeter Chemikalien 227 12 Versicherung 228 13 Literaturverzeichnis 229

>Magister Scientiae - MSc / Hydrogen has high energy density and it is regarded as the future energy carrier. Hydrogen can be stored as a gas in high-pressure cylinders, as a liquid in cryogenic tanks and as a solid in metal hydrides. The storage of hydrogen in gas and liquid form has many limitations. Light metal hydrides show high energy density and are a promising and more practical mode of hydrogen storage. In particular, titanium and its alloys are promising metal hydrides for hydrogen storage due to their high affinity to hydrogen. The aim of this study is to investigate the effect of thermal annealing on hydrogen storage capacity of Ti-Pd multilayer systems. Ti-Pd multilayer films were prepared on CP-Ti (commercial pure Ti) and Ti6Al4V substrates using an electron beam evaporator equipped with a thickness monitor. The sequential deposition of layers Pd(50nm)/Ti(25nm)/Pd(50nm) was done at a constant deposition rate of 0.6 Å/s. The first batch of samples were thermally annealed at 550 °C in vacuum for two hours, the second batch of samples were annealed at 550 oC under H2(15%)/Ar(85%) gas mixture for two hours and the third series of samples was annealed under pure H2 gas at 550 oC for one hour. SEM showed relatively homogeneous and smooth topography of surfaces in as-deposited samples, while a rough textured surface was observed in both samples annealed under vacuum and under H2/Ar gas mixture. The samples annealed under pure H2 gas did not show any sign of crystallites grow but instead a relatively smooth surface with sign of etching. XRD revealed structural transformation as evidenced by the presence of PdTi2 phase in samples annealed under vacuum; in samples annealed under the gas mixture Pd2Ti was noted in addition to TiH2 and TiO2. While the TiH2 phase is an indication of hydrogen absorption, the TiPd2 phase suggests intermixing of the deposited layers and the presence of TiO2 is evidence of oxidation. The samples annealed under pure H2 gas showed only TiH2 with no trace of structural transformation. RBS confirmed the intermixing of layers in the samples annealed under vacuum and H2(15%)/Ar(85%) gas mixture, while samples annealed under pure H2 gas did not show any intermixing of layers. ERDA revealed an average H content of ~ 3.5 at.% in CP-Ti and ~6.2 at.% in Ti6Al4V for samples annealed under H2(15%)/Ar(85%) gas mixture. We recorded an hydrogen content of ~19.5 at.% in CP-Ti annealed under pure H2 while ~25.5 at.% was found in Ti6Al4V annealed under the same conditions. When the thickness of the Pd catalyst layers was increased to 100 nm (i.e. Pd (100 nm)/Ti (25 nm)/Pd (100 nm)), only ~ 12.5 at.% and 11.2 at. % hydrogen content was recorded in samples prepared on CP-Ti and Ti6Al4V alloy respectively, both annealed under pure hydrogen for one hour as above.

Many methods have been proposed for efficient storage of molecular hydrogen for fuel cell applications. However, despite intense research efforts, so far, the industrial parameters of 6.5% mass ratio and 62 kg/m3 volume density are still questionable though the results are obtained by either experimentally or via theoretical simulations on reversible model systems. Carbon-based materials, have always been regarded as the most attractive physisorption substrates for the storage of hydrogen. Theoretical and experimental studies on various model carbon systems, however, failed to reach the elusive goal. In this work, it is shown that insufficiently accurate carbon - hydrogen diatomic interaction potentials, together with the neglect and incomplete treatment of the quantum effects in previous theoretical investigations, led to misleading conclusions for the absorption capacities of different carbon materials. A proper account of the contribution of quantum effects to the free energy and the equilibrium constant for hydrogen adsorption suggest that the industry specifications can be approached in a graphite-based physisorption system. The theoretical prediction can be realised by optimising the topology, the cavity shape and the accessible surface of the carbon structures.

Die vorliegende Promotion beinhaltet die Untersuchung von irregulären Kohlenstoff-Nanostrukturen, die mittels Hochenergie-Kugelmahlen hergestellt wurden. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht darin, die strukturelle Vielfalt dieser Nanostrukturen experimentell zu erfassen, zu klassifizieren und bezüglich ausgewählter Eigenschaften zu bewerten, sowie mit den Herstellungsparametern in Zusammenhang zu bringen. Die Pulver konnten nach den Mahlungen hinsichtlich ihrer Struktur in zwei grundsätzliche Typen eingeteilt werden: (I) ein Nanopulver, das aus graphitischen Stapelpaketen besteht, welche in eine amorphe Matrix eingebettet sind, (II) ein vollständig amorphisiertes Pulver. Die Strukturanalyse in Bezug auf die Mahlbedingungen (Mahlatmosphäre, Mahltemperatur) zeigt, dass die Dauer der Nanostrukturierung sowie die Anzahl und Größe von graphitischen Stapelpaketen gezielt beeinflusst werden kann. Außerdem konnten Hinweise gefunden werden, die darauf hindeuten, dass Mahlen bei tiefen Temperaturen oder unter Wasserstoffatmosphäre die Agglomeration der Nanopartikel verringern kann. Das Kugelmahlen ermöglicht es ebenfalls, die spezifische Oberfläche des Graphitpulvers von 5,5 m2/g auf 725 m2/g innerhalb von fünf Mahlstunden zu erhöhen. Der Anteil der Verunreinigungen (Fe) liegt dabei nicht höher als 0,05 wt%. Es ist jedoch zu beachten, dass sämtliche Eigenschaften stark von den verschiedenen Mahlparametern (Mahltemperatur, Mahlmaterial) abhängen. Die für Adsorptionsuntersuchungen optimalen Eigenschaften (große spezifische Oberfläche, erhöhte Reaktivität, geringe Verunreinigungen) werden schon nach kurzer Mahldauer erreicht. Wiederholungsmahlungen und Wiederholungsmessungen verschiedener Eigenschaften (spezifische Oberfläche, Verbrennungstemperatur) machen deutlich, dass die Ergebnisse reproduzierbar sind, und dass keine Alterungserscheinungen während der Lagerung unter Argonatmosphäre im Zeitraum von einem Jahr auftreten. Die Wasserstoffspeicherung an nanostrukturierten Kohlenstoffpulvern konnte nachgewiesen werden. Die maximalen Speicherkapazitäten für Temperaturen nahe 77 K lagen bei 1,5 wt%. Für niedrigere Temperaturen Tist = 35 K zeigten sich höhere Speicherkapazitäten von bis zu 5 wt%. Die Korrelation der ermittelten Speicherkapazitäten mit den theoretisch erreichbaren Werten in Bezug auf die Oberfläche der Proben zeigt, dass im Experiment deutlich höhere Werte erhalten werden. Dies lässt den Schluss zu, dass neben der Speicherung an der Oberfläche der Pulver ein weiterer Speichermechanismus innerhalb der Mikroporen der Proben stattfindet.

Wasserstoff ist der ideale Energieträger, da er völlig schadstofffrei verbrennt und einen potentiell hohen Energiegehalt pro Masse besitzt. Die größte Herausforderung für den Gebrauch von Wasserstoff als Kraftstoff ist die Wasserstoffspeicherung in sicheren und kostengünstigen Systemen. Die Ziele und Aufgaben der vorliegenden Doktorarbeit sind, poröse Materialien, die unterschiedliche Struktur und Zusammensetzung besitzen, für die Physisorption von Wasserstoff mittels einer neuartigen volumetrischen Apparatur zu untersuchen. Das Erreichen maximaler Speicherdaten stand nicht im Vordergrund dieser Arbeit. Viel wichtiger war es, einen Struktur – Eigenschafts – (Sorptions) – Zusammenhang zu verstehen, auf deren Basis eine systematische Entwicklung von Wasserstoffspeichermaterialien erfolgen könnte. Zwei Klassen von potentiellen Wasserstoffspeichern wurden erforscht: expandierte Graphitmaterialien und Metallorganische Netzwerke. Neue experimentelle Methoden zur Untersuchung der Wasserstoffspeicherkapazität an modifizierter volumetrischer Apparatur wurden erfolgreich entwickelt und geprüft. Das Verwenden einer der Kammern als Referenzkammer ermöglicht das Ausschließen der experimentellen Artefakte aus der Auswertung der gespeicherten Wasserstoffmenge. Es wurde keine Gaszustandgleichung bei tiefen Temperaturen verwendet, was sehr wichtig bei den Experimenten mit Wasserstoff ist.

The interest in hydrogen as an energy carrier is growing. The whole world is investing in development of the technology surrounding hydrogen. In general the research regarding hydrogen focuses on hydrogen as an energy carrier, either for transportation as fuel or for storage and usage at a more profitable time or in times of need. In Sweden most of the current research focus on the transportation sector. This thesis explores the other part, stored hydrogen used at a more profitable time. A biogas-plant outside Uppsala city is used as a case exploring if the investment in hydrogen production and storage in combination with a battery storage is economically feasible. A model of a battery, an electrolyser and a hydrogen storage were created in Simulink where the output is the power flow: optimised towards the highest economic profit. Then, an economic analysis is made to explore the feasibility of the investment. The results show that the investment is not feasible in 2021. If the investment cost of the hydrogen system is reduced by 60%, the maintenance costs are reduced by 20% and the profit is increased by 50% the investment becomes feasible with a payback period of 15,2 years. These changes are reasonable in the coming 10 to 20 years with hydrogen technology developing and an increasingly unstable electric grid allowing for higher compensation for frequency regulating services. / Intresset för vätgas som energibärare växer. Hela världen investerar i forskningen kring vätgas. Oftast inriktar forskningen sig på vätgas som en energibärare med två tydliga huvudfokus: som bränsle för transporter eller för lagring och att använda energin vid ett bättre tillfälle. I Sverige fokuserar den mesta forskningen på transportsektorn. Denna rapport bearbetar den andra delen, att använda vätgas för lagring och utnyttja den vid ett mer lönsamt tillfälle eller vid behovssitutioner, till exempel då elnätet blir instabilt. En biogasanläggning utanför Uppsala används som ett fall för att undersöka om investeringen i vätgasproduktion och lagring i kombination med ett batterilager är ekonomisk lönsamt. En modell av ett batteri, en elektrolysör och ett vätgaslager skapades i Simulink där utparametern är effektflödet optimerad mot ekonomisk lönsamhet. Sen undersöktes systemet ekonomiskt utifrån effektflödet för att undersöka om investeringen var lönsam. Resultatet visade att så inte var fallet: det krävs en sänkt investeringskostnad för vätgassystemet med 60%, de årliga kostnaderna behöver sjunka med 20% och den årliga vinsten behöver öka med 50% för att investeringen ska bli lönsam med en återbetalningstid på 15,2 år. Dessa förändringar kan dock ske inom de kommande 10 till 20 åren då vätgasteknologin fortsätter utvecklas samtidigt som ett allt mer instabilt elnät bidrar till möjligheten för ökad ersättning för frekvensregleringstjänster.