Nano-Pralinen speichern Wasserstoff

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 auf 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 etwa einen Nanometer messen.“

Damit die Nanopartikel stabil sind, werden sie durch einen Kern aus 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. „Das Ergebnis ist eine regelmäßige, periodische Struktur.“

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.

DESY / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Franz et al.: Hydrogen Solubility and Atomic Structure of Graphene Supported Pd Nanoclusters, ACS Nano 15, 15771 (2021); DOI: 10.1021/acsnano.1c01997
• NanoLab (A. Stierle), Photon Science, DESY – Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg