Developing high-capacity sustainable materials for hydrogen storage
Translated title
Entwicklung von nachhaltigen Materialien mit hoher Kapazität für die Wasserstoffspeicherung
Publication date
2024
Document type
Dissertation
Author
Shang, Yuanyuan
Advisor
Referee
Pundt, Astrid
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2024-05-06
Organisational unit
Part of the university bibliography
✅
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Hydrogen storage materials
Metal hydrides
Sustainable materials
High-entropy alloys
Reactive hydride composites
Abstract
In this thesis, the development of sustainable materials for hydrogen storage is studied. Four model types of hydrogen storage materials are included in this work, which are the complex metal hydride NaAlH₄, solid solution room temperature FeTi alloys, compositionally complex alloys (CCAs), and the reactive hydrides composite (RHC) 2NaBH₄ + MgH₂. The first part of this thesis focuses on developing a complex metal hydride of NaAlH₄ by using waste Al alloy as raw material. The synthesised less pure NaAlH₄ exhibits good reversible hydrogen capacity, whereas the pure NaAlH₄ is not reversible. The second part of this thesis is devoted to developing a FeTi-based metal hydride by using waste steel and Ti alloy scraps as raw materials. Astonishingly, at 50 °C and 100 bar of H₂, the hydrogen storage capacities measured for the FeTi alloys synthesised from recycled scraps are extremely close to the value measured for the pure FeTi. In the third part of this thesis, the hydrogen storage properties of some CCAs are investigated, which further helps in screening the suitable types of waste metal alloys to be used as raw materials. With the synthesised hydrogen storage materials, the main issues are kinetic and thermodynamic tuning. The selected waste steels, Ti alloys, Mg alloys, and Al alloys, are just examples of the vast variety of scrap materials potentially useful for synthesising sustainable hydrogen storage materials. In addition, the influence of single impurities cannot be distinguished. Therefore, the RHC system of 2NaBH₄ + MgH₂ was chosen as a model system to study the effects of well-defined additives on hydrogen storage performances, as can be seen in the last part of this thesis.
This work shows that by using waste metal scraps instead of high-purity elements as raw materials, the carbon footprint and costs are tremendously reduced for producing hydrogen storage materials without deteriorating the hydrogen storage properties. This work opens a new path to the development of environmentally sustainable alloys for hydrogen storage purposes.
This work shows that by using waste metal scraps instead of high-purity elements as raw materials, the carbon footprint and costs are tremendously reduced for producing hydrogen storage materials without deteriorating the hydrogen storage properties. This work opens a new path to the development of environmentally sustainable alloys for hydrogen storage purposes.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung von nachhaltigen Materialien für die Wasserstoffspeicherung untersucht. In dieser Arbeit werden vier Arten von Wasserstoffspeichermaterialien untersucht, nämlich komplexe Hydride am Beispiel von NaAlH₄, Lösungshydride am Beispiel von FeTi-Legierungen, neuartige Multikomponenten-Mischkristall-Legierungen mit hoher Entropie (CCAs) und Reaktive Hydrid-Komposite (RHC) am Beispiel von 2NaBH₄ + MgH₂ . Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines komplexen Metallhydrids aus NaAlH₄ unter Verwendung von Al-Legierungsabfällen als Rohmaterial. Das synthetisierte, weniger reine NaAlH₄ weist eine gute reversible Wasserstoffkapazität auf, während das reine NaAlH₄ nicht reversibel ist. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Entwicklung von FeTi-Metallhydrid unter Verwendung von Stahl- und Ti-Legierungsabfällen als Rohmaterial. Erstaunlicherweise liegen die gemessenen Wasserstoffspeicherkapazitäten der aus recycelten Abfällen hergestellten FeTi-Legierungen bei 50 °C und 100 bar H₂ sehr nahe an den für reines FeTi gemessenen Werten. Im dritten Teil dieser Arbeit werden die Wasserstoffspeichereigenschaften einiger CCAs untersucht, was bei der Auswahl geeigneter Altmetalllegierungen, die als Rohstoffe verwendet werden sollen, weiter hilft. Bei den synthetisierten Wasserstoffspeichermaterialien geht es vor allem um kinetische und thermodynamische Abstimmungen. Bei der Vielzahl von Stahlabfällen, Ti-Legierungen, Mg-Legierungen, Al-Legierungen usw. ist es allerdings nicht möglich, den Einfluss einzelner Bestandteile auf die Synthese und die Eigenschaften nachhaltiger Wasserstoffspeichermaterialien zu differenzieren. Ausgehend von diesen Überlegungen wurde deshalb das RHC-System 2NaBH₄ + MgH₂ als Modellsystem gewählt, um die Auswirkungen einzelner Additive auf die Wasserstoffspeicherleistung gezielt zu untersuchen, wie im letzten Teil dieser Arbeit zu sehen ist.
Diese Arbeit zeigt, dass durch die Verwendung von Altmetallabfällen anstelle von hochreinen Elementen als Rohstoffe der Kohlenstoffausstoß und die Kosten für die Herstellung von Wasserstoffspeichermaterialien enorm reduziert werden können, ohne dass sich die Wasserstoffspeichereigenschaften verschlechtern. Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg zur Entwicklung von umweltverträglichen Legierungen für die Wasserstoffspeicherung.
Diese Arbeit zeigt, dass durch die Verwendung von Altmetallabfällen anstelle von hochreinen Elementen als Rohstoffe der Kohlenstoffausstoß und die Kosten für die Herstellung von Wasserstoffspeichermaterialien enorm reduziert werden können, ohne dass sich die Wasserstoffspeichereigenschaften verschlechtern. Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg zur Entwicklung von umweltverträglichen Legierungen für die Wasserstoffspeicherung.
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