Ein innovativer Ansatz kann Nanoteilchen zu einfachen Speichern für Wasserstoff machen. Das leicht flüchtige Gas gilt als vielversprechender Energieträger der Zukunft und soll unter anderem Flugzeuge, Schiffe und Lastwagen klimaneutral antreiben sowie eine emissionsfreie Produktion von Stahl und Zement erlauben. Die Speicherung von Wasserstoff ist bislang allerdings aufwendig: Entweder wird das Gas in Drucktanks bei bis zu 700 bar aufbewahrt oder aber in flüssiger Form, wobei es bis auf minus 253 Grad Celsius abgekühlt werden muss – beide Verfahren kosten zusätzlich Energie.

Ein von DESY-Forscher Andreas Stierle geleitetes Team hat die Grundlage für eine neue Methode erarbeitet – die Speicherung mit winzigen, nur 1,2 Nanometer großen Nanoteilchen aus dem Edelmetall Palladium. Zwar ist schon länger bekannt, dass Palladium Wasserstoff aufsaugen kann wie ein Schwamm. „Allerdings ist es bislang ein Problem, den Wasserstoff wieder aus dem Material herauszubekommen“, erläutert Stierle. „Deshalb versuchen wir es mit Palladium-Teilchen, die lediglich rund einen Nanometer messen.“ Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter.

Damit die Winzlinge hinreichend stabil sind, werden sie durch einen Kern aus dem seltenen Edelmetall Iridium stabilisiert. Zusätzlich sind sie auf Graphen fixiert, einer extrem dünnen Lage aus Kohlenstoff. „Auf Graphen können wir die Palladiumteilchen in Abständen von nur zweieinhalb Nanometern verankern“, berichtet Stierle, der das DESY-NanoLab leitet. „Das Ergebnis ist eine regelmäßige, periodische Struktur.“ Das Team, zu dem auch Forscherinnen und Forscher der Universitäten Köln und Hamburg gehören, hat seine Arbeit im Fachblatt „ACS Nano“ der Amerikanischen Chemischen Gesellschaft (ACS) veröffentlicht.

An DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III ließ sich verfolgen, was beim Kontakt der Palladium-Teilchen mit Wasserstoff passiert: Der Wasserstoff bleibt im Wesentlichen an ihren Oberflächen haften – in das Innere der Klümpchen dringt kaum etwas ein. Bildlich gesprochen ähneln diese Nanoteilchen einer Praline: In der Mitte befindet sich eine Iridium-Nuss, umhüllt von einer Marzipanschicht aus Palladium, ganz außen folgt als Schoko-Überzug der Wasserstoff. Zur Entladung des Speichers reicht eine leichte Erwärmung: Da die Gasmoleküle sich nicht den Weg aus dem Inneren bahnen müssen, löst sich der Wasserstoff rasch von der Teilchen-Oberfläche ab.

„Als nächstes wollen wir herausfinden, welche Speicherdichten wir mit der neuen Methode erreichen könnten“, sagt Stierle. Bevor jedoch an einen praktischen Einsatz zu denken ist, gibt es noch manche Herausforderung zu meistern. So dürften andere Formen von Kohlenstoffstrukturen besser als Graphen als Trägermaterial geeignet sein – hier denken die Fachleute über Kohlenstoffschwämme mit winzigen Poren nach. In ihnen sollten sich die Palladium-Nanoteilchen in nennenswerten Mengen unterbringen lassen.

 

Originalveröffentlichung:
Hydrogen Solubility and Atomic Structure of Graphene Supported Pd Nanoclusters; D. Franz, U. Schröder, R. Shayduk, B. Arndt, H. Noei, V. Vonk, T. Michely, A. Stierle; „ACS Nano“, 2021; DOI: 10.1021/acsnano.1c01997

 

Mit diesem und anderen innovativen Konzepten für die Wasserstoffwirtschaft und eine nachhaltige Energieversorgung befasst sich auch die neue Ausgabe von DESYs Forschungsmagazin „femto“. Das Heft zeigt, wie Grundlagenforschung zu Innovationen für die Energiewende beitragen kann. Dabei geht es nicht nur um den Energieträger Wasserstoff, sondern auch um nachhaltige Solarzellen und neuartige Formen der Energiegewinnung sowie um mehr Energieeffizienz in der Forschung selbst, beim Betrieb großer Teilchenbeschleuniger: www.desy.de/femto.