Universität Bayreuth Energiespeicherung mit Stickstoff

Ausschnitt aus der Kristallstruktur von FeN₄. Stickstoffatome sind blau, Eisenatome braun.
Ausschnitt aus der Kristallstruktur von FeN₄. Stickstoffatome sind blau, Eisenatome braun.

Polymerketten aus Stickstoff besitzen eine ungewöhnlich hohe Energiedichte und eröffnen neue Perspektiven für Technologien der Speicherung und Übertragung von Energie. Forscher der Universität Bayreuth gelang es nun, diese Verbindungen zu herzustellen.

Nitride bilden eine für die Forschung hochinteressante Klasse anorganischer Materialien, weil sie oft herausragende physikalische und chemische Eigenschaften besitzen. So zeichnen sich Übergangsmetallnitride in vielen Fällen durch eine außerordentliche Härte, hohe Schmelzpunkte und eine ungewöhnliche Stabilität aus. Derartige Stickstoffverbindungen zu synthetisieren, ist allerdings sehr schwierig.

Unter normalen Umgebungsbedingungen kommt Stickstoff hauptsächlich als zweiatomiges Gas N₂ vor, das nur mit wenigen anderen Elementen chemische Verbindungen eingeht. Die größte Hürde bei der Herstellung stickstoffreicher Verbindungen besteht darin, dass die zwei Stickstoffatome von N₂ durch eine Dreifachbindung verknüpft sind, die unter außergewöhnlich hohen Temperaturen aufgebrochen werden muss. Wie hoch, hängt im Einzelfall von der jeweiligen stickstoffhaltigen Verbindung ab, die synthetisiert werden soll.

Gezielte Synthese neuer Stickstoffverbindungen unter Hochdruck

Die Bayreuther Wissenschaftler haben diese Hürde jetzt erstmals überwinden können. Mit Technologien der Hochdruckforschung haben sie eine Versuchsumgebung geschaffen, in der sich die Synthese stickstoffreicher Verbindungen gezielt steuern lässt. Dabei wird pulverförmiges Eisen und Rhenium einem sehr hohen Druck und einer sehr hohen Hitze ausgesetzt. Die daraus entstehenden Verbindungen repräsentieren eine neue Klasse von Stickstoffverbindungen: Metall-Stickstoff-Gerüste.

Perspektiven für künftige Energietechnologien

Diese Stickstoffverbindungen sind im Hinblick auf die künftige Energieforschung und Energietechnologie vor allem deshalb von großem Interesse, weil sie eine ungewöhnlich hohe Energiedichte aufweisen. So ist die Energiedichteder Rhenium-Verbindung um ein Vielfaches höher als die Energiedichte des Sprengstoffs TNT.

»Die Forschungsergebnisse, die wir jetzt in enger internationaler Kooperation erzielt haben, könnten sehr bald schon zum Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Materialien werden, die einen entscheidenden Beitrag zur Energieversorgung der Zukunft leisten. Denn der Anteil erneuerbarer Energien wird sich nur signifikant steigern lassen, wenn es gelingt, hinreichend hohe und zugleich flexible Speicherkapazitäten zu schaffen«, erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth, der an den neuen Studien beteiligt war.

In den Zeitschriften Nature Communications und Angewandte Chemie berichten die Wissenschaftler über ihre Forschungsergebnisse.