Auf dem Weg zum Wasserstoffspeicher?

Magnesiumhydridcluster als Modell für Wasserstoffspeichermaterial im Subnanometerbereich

21.04.2011 - Niederlande

Das Auto der Zukunft könnte mit einer Brennstoffzelle betrieben werden und Wasserstoff tanken. Aber in was für eine Art von Tank? Wasserstoff ist nicht nur hochexplosiv, sondern braucht als Gas auch ein großes Volumen. Die Speicherung in Form fester Metallhydride hoher Dichte ist eine besonders sichere Alternative und bringt den Wasserstoff in einem relativ überschaubaren Volumen unter. Da der Tank aber nicht zu schwer und zu teuer sein darf, konzentrieren sich die Forschungen auf Hydride mit leichten, häufig vorkommenden Metallen wie Magnesium. Sjoerd Harder und seine Kollegen von den Universitäten Groningen (Niederlande) und Duisburg-Essen schlagen nun den molekularen Weg ein: Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, könnten extrem kleine Partikel, so genannte Cluster, aus molekularem Magnesiumhydrid als Modellsubstanz dienen, um die Prozesse bei der Wasserstoffspeicherung genauer zu untersuchen.

Magnesiumhydrid (MgH₂) kann Wasserstoff bei Bedarf freisetzen. Das entstehende Magnesium-Metall könnte dann wieder zum Hydrid reagieren, wenn Wasserstoff an der „Tankstelle“ eingepresst würde. Leider ist das nur eine idealisierte Vorstellung. So ist nicht nur die Geschwindigkeit der Freisetzung und Aufnahme von Wasserstoff ausgesprochen langsam (Kinetik), sondern der Tank arbeitet nur bei höheren Temperaturen (Thermodynamik). Die Hydride, negativ geladene Wasserstoffatome (H^─), sind so fest in das Kristallgitter der Magnesiumkationen (Mg²⁺) eingebunden, dass sich Wasserstoffgas erst oberhalb von 300 °C freisetzen lässt.

Eine besonders intensive Mahlung macht inzwischen nanokristalline Materialien zugänglich, die aufgrund ihrer großen Oberfläche Wasserstoff rasch aufnehmen und freisetzen. Die hohe Stabilität des Magnesiumhydrids macht dennoch hohe Freisetzungstemperaturen notwendig. Kürzlich vorgenommenen Computerberechnungen zufolge sollten winzigste Partikel aus wenigen Atomen, so genannte Cluster, den Wasserstoff bereits deutlich unterhalb von 300 °C abgeben. Cluster mit weniger als 20 Mg²⁺-Ionen sind kleiner als ein Nanometer und verhalten sich anders als der Feststoff. Ihre Hydridionen haben weniger Mg²⁺-Ionen als nächste Nachbarn und sind daher schwächer gebunden. Allerdings ist es extrem schwer, solche winzigen Cluster durch Mahlen herzustellen.

Harders Team macht es nun umgekehrt: Statt größere Partikel zu zekleinern, bauen sie Magnesiumhydrid-Cluster aus Molekülen auf („Bottom-up“-Ansatz). Die Herausforderung dabei ist, solche Cluster davon abzuhalten, in hochstabile Feststoffe weiterzureagieren. Den Forschern gelang das mit einem speziellen Ligandensystem, d. h. Molekülen, die den Cluster „einfangen“. Der Cluster selbst besteht aus acht Mg²⁺ und zehn H^– Ionen und erinnert an die Form eines Schaufelrades. Erstmals konnte gezeigt werden, dass molekulare Cluster Wasserstoff in der Tat bereits bei Temperaturen um 200 °C freisetzen.

Dieser bisher größte Magnesiumhydridcluster ist zwar nicht als Wasserstoffspeicher praktikabel, wirft aber ein neues Licht auf aktuelle Fragestellungen. Der Cluster lässt sich leicht mit molekularen Methoden untersuchen und könnte als Modellsystem einen detaillierten Einblick in die Vorgänge bei der Wasserstoffspeicherung gewähren.