Chemnitz-Zwickau, Techn. Univ., Diss., 1996.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff ist die Verflüssigung und anschließende Lagerung in flüssiger Form wegen der deutlich vergrößerten Dichte oft die wirtschaftlichste Lösung. Bei Umgebungstemperatur besteht Wasserstoff zu 75% aus Orthowasserstoff und 25% aus Parawasserstoff. Bei der Verflüssigung ist zu beachten, dass es unterhalb von etwa 250 K zu einer exothermen Umwandlung von Ortho- zu Parawasserstoff kommt. Dadurch wird der Energieaufwand zur Verflüssigung vergrößert. Die Entdeckung, dass es die Allotrope Ortho- und Parawasserstoff gibt, spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Quantenphysik in den zwanziger und dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts. Heute sind vor allem die technischen Aspekte bei der Verflüssigung von Bedeutung. Im wissenschaftlichen Schrifttum fehlte bisher eine zusammenfassende Darstellung der physikalischen und technischen Aspekte. Diese Lücke soll mit dieser Arbeit geschlossen werden. Es werden die Aspekte der Theorie der Unterschiede der beiden Wasserstoffallotrope Orthowasserstoff und Parawasserstoff, die Umwandlung von einem Allotrop in das andere, die Auswirkungen der Unterschiede auf die Stoffgrößen, die mögliche Messung der Anteile, die Selbstumwandlung, die gewollte und ungewollte katalytische Umwandlung sowie die großtechnischen Anwendungen behandelt. Im Rahmen der Arbeit wurde insbesondere die Umwandlung an dem kommerziell erhältlichen Katalysatormaterial Eisenoxid sowie die katalytische Umwandlung an Adsorptionsmaterialien zur kryogenen Wasserstoffspeicherung und Wasserstoffreinigung untersucht. Neue Erkenntnisse der Arbeit sind zum einen ein verbessertes Verständnis der Aktivierung des kommerziell erhältlichen und eingesetzten Ortho-Para-Katalysators Eisenoxid, verbunden mit einer kostenoptimierten Möglichkeit der Aktivierung und zum anderen die ersten Messungen der katalytischen Aktivität neuer kryogener Speichermaterialien auf Basis der Wasserstoffadsorption.

In der vorliegenden Arbeit werden in einem temperaturvariablen (10 K-300 K) 22-Pol-Ionenspeicher Ion-Molekuel-Reaktionen bei tiefen Temperaturen in der Gasphase untersucht. Die Ionentemperatur wird mit spektroskopischen Methoden charakterisiert. Es ergibt sich gute Uebereinstimmung zwischen Translations- und Rotationstemperatur der Ionen und der nominellen Speichertemperatur. Es werden zwei Systeme untersucht, die ueber langlebige Zwischenkomplexe ablaufen: (i) die Assoziation des Methyl-Kations mit Kohlenmonoxid bei 80 K und (ii) Wachstums-, Fragmentations- und Deuterierungsdynamik kationischer Wasserstoffcluster in Para- und Normal-Wasserstoff sowie Deuterium bei 10 K. Es ergeben sich sehr grosse Assoziationsratenkoeffizienten fuer Reaktion (i), die gut mit theoretischen Vorhersagen uebereinstimmen. Die Bildungsratenkoeffizienten kleiner Wasserstoffcluster (H_i^+,i<9) in Normal-Wasserstoff (75 Prozent Ortho-Anteil) sind stark reduziert gegenueber der Bildung in reinem Para-Wasserstoff. Dies laesst sich durch den Uebertrag der Rotationsenergie des Ortho-Wasserstoffs auf den Cluster erklaeren. Das Studium der Deuterierungsdynamik zeigt, dass der Austausch einzelner Protonen in kleineren Clustern sehr schnell ab- laeuft, mit Erreichen des {H_9^+} aber fast zum Stillstand kommt. Diese Resultate kann man auf der Grundlage einer dynamischen Schalenstruktur verstehen.

Für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff ist die Verflüssigung und anschließende Lagerung in flüssiger Form wegen der deutlich vergrößerten Dichte oft die wirtschaftlichste Lösung. Bei Umgebungstemperatur besteht Wasserstoff zu 75% aus Orthowasserstoff und 25% aus Parawasserstoff. Bei der Verflüssigung ist zu beachten, dass es unterhalb von etwa 250 K zu einer exothermen Umwandlung von Ortho- zu Parawasserstoff kommt. Dadurch wird der Energieaufwand zur Verflüssigung vergrößert. Die Entdeckung, dass es die Allotrope Ortho- und Parawasserstoff gibt, spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Quantenphysik in den zwanziger und dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts. Heute sind vor allem die technischen Aspekte bei der Verflüssigung von Bedeutung. Im wissenschaftlichen Schrifttum fehlte bisher eine zusammenfassende Darstellung der physikalischen und technischen Aspekte. Diese Lücke soll mit dieser Arbeit geschlossen werden. Es werden die Aspekte der Theorie der Unterschiede der beiden Wasserstoffallotrope Orthowasserstoff und Parawasserstoff, die Umwandlung von einem Allotrop in das andere, die Auswirkungen der Unterschiede auf die Stoffgrößen, die mögliche Messung der Anteile, die Selbstumwandlung, die gewollte und ungewollte katalytische Umwandlung sowie die großtechnischen Anwendungen behandelt. Im Rahmen der Arbeit wurde insbesondere die Umwandlung an dem kommerziell erhältlichen Katalysatormaterial Eisenoxid sowie die katalytische Umwandlung an Adsorptionsmaterialien zur kryogenen Wasserstoffspeicherung und Wasserstoffreinigung untersucht. Neue Erkenntnisse der Arbeit sind zum einen ein verbessertes Verständnis der Aktivierung des kommerziell erhältlichen und eingesetzten Ortho-Para-Katalysators Eisenoxid, verbunden mit einer kostenoptimierten Möglichkeit der Aktivierung und zum anderen die ersten Messungen der katalytischen Aktivität neuer kryogener Speichermaterialien auf Basis der Wasserstoffadsorption.

In der vorliegenden Arbeit werden in einem temperaturvariablen (10 K-300 K) 22-Pol-Ionenspeicher Ion-Molekuel-Reaktionen bei tiefen Temperaturen in der Gasphase untersucht. Die Ionentemperatur wird mit spektroskopischen Methoden charakterisiert. Es ergibt sich gute Uebereinstimmung zwischen Translations- und Rotationstemperatur der Ionen und der nominellen Speichertemperatur. Es werden zwei Systeme untersucht, die ueber langlebige Zwischenkomplexe ablaufen: (i) die Assoziation des Methyl-Kations mit Kohlenmonoxid bei 80 K und (ii) Wachstums-, Fragmentations- und Deuterierungsdynamik kationischer Wasserstoffcluster in Para- und Normal-Wasserstoff sowie Deuterium bei 10 K. Es ergeben sich sehr grosse Assoziationsratenkoeffizienten fuer Reaktion (i), die gut mit theoretischen Vorhersagen uebereinstimmen. Die Bildungsratenkoeffizienten kleiner Wasserstoffcluster (H_i^+,i<9) in Normal-Wasserstoff (75 Prozent Ortho-Anteil) sind stark reduziert gegenueber der Bildung in reinem Para-Wasserstoff. Dies laesst sich durch den Uebertrag der Rotationsenergie des Ortho-Wasserstoffs auf den Cluster erklaeren. Das Studium der Deuterierungsdynamik zeigt, dass der Austausch einzelner Protonen in kleineren Clustern sehr schnell ab- laeuft, mit Erreichen des {H_9^+} aber fast zum Stillstand kommt. Diese Resultate kann man auf der Grundlage einer dynamischen Schalenstruktur verstehen.