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5. September 2022

von Linda Behringer, Max-Planck-Gesellschaft

Wasserstoff (H2) wird derzeit als idealer Energieträger erneuerbarer Energien diskutiert. Wasserstoff hat die höchste gravimetrische Energiedichte aller chemischen Kraftstoffe (141 MJ/kg) und ist damit dreimal höher als Benzin (46 MJ/kg). Seine geringe Volumendichte schränkt jedoch seinen breiten Einsatz in Transportanwendungen ein, da aktuelle Speichermöglichkeiten viel Platz benötigen.

Bei Umgebungstemperatur ist Wasserstoff ein Gas und ein Kilogramm Wasserstoff nimmt ein Volumen von 12.000 Litern (12 Kubikmeter) ein. In Brennstoffzellenfahrzeugen wird Wasserstoff unter einem sehr hohen Druck von 700-fachem Atmosphärendruck gespeichert, wodurch sich das Volumen auf 25 Liter pro Kilogramm H2 reduziert. Flüssiger Wasserstoff weist eine höhere Dichte von 14 Litern pro Kilogramm auf, erfordert jedoch extrem niedrige Temperaturen, da der Siedepunkt von Wasserstoff bei minus 253 °C liegt.

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, der Technischen Universität Dresden, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und dem Oak Ridge National Laboratory nachgewiesen, dass Wasserstoff auf einer Oberfläche bei sehr niedriger Temperatur in der Nähe von H2 kondensiert Siedepunkt und bildet eine superdichte Monoschicht, die die Dichte von flüssigem Wasserstoff um fast das Dreifache übertrifft, wodurch sich das Volumen auf nur 5 Liter pro Kilogramm H2 reduziert.

Das überraschende Ergebnis war, dass doppelt so viele H2-Moleküle die Oberfläche bedeckten wie Atome des Edelgases Argon, obwohl beide nahezu gleich groß waren. Um die Anzahl der Moleküle pro Fläche zu verdoppeln, werden H2-Moleküle eng zusammengedrückt und bilden eine superdichte Schicht.

Die Studie von R. Balderas-Xicohténcatl et al. umfasste hochauflösende Kryoadsorptionsexperimente an hochgeordnetem mesoporösem Siliciumdioxid mit genau definierten Poren- und Oberflächeneigenschaften, um die Anzahl der auf der Materialoberfläche kondensierten Moleküle zu bestimmen.

Die inelastische Neutronenstreuung ist ein ideales Werkzeug, um die Entstehung dieser zweidimensionalen Wasserstoffschicht zu verfolgen. Zum ersten Mal wurde die Existenz dieses superdichten Wasserstoffs in situ bestätigt. Diese direkte Beobachtung war nur mit dem hochauflösenden Neutronenschwingungsspektrometer VISION möglich, das eine mehr als 100-mal höhere inelastische Zählrate als jedes vergleichbare verfügbare Spektrometer aufweist.

Theoretische Studien bestätigen die experimentellen Beobachtungen der ungewöhnlich hohen Wasserstoffdichte in der adsorbierten Schicht. Die Anziehungskräfte an der Oberfläche waren stärker als die Abstoßung zwischen zwei Wasserstoffmolekülen, was zu einer superdichten Wasserstoffpackung auf der mesoporösen Siliciumdioxidoberfläche führte. Die extrem hohe Dichte ist eine Folge der hohen Kompressibilität von Wasserstoff, der keine Kernelektronen besitzt.

Von grundlegendem Interesse ist die Bildung der superdichten Wasserstoffschicht bei niedrigen Temperaturen nahe dem Siedepunkt. Es sollte für die quantitative Analyse von H2-Adsorptionsisothermen bei 20 K in Betracht gezogen werden. Es könnte auch neue Möglichkeiten zur Verbesserung der volumetrischen Kapazität kryogener Wasserstoffspeichersysteme für viele Anwendungen in einer kommenden Wasserstoffwirtschaft eröffnen.

Die Forschung wurde in Nature Chemistry veröffentlicht.

Mehr Informationen: Rafael Balderas-Xicohténcatl et al, Bildung einer superdichten Wasserstoffmonoschicht auf mesoporösem Siliziumdioxid, Nature Chemistry (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01019-7

Zeitschrifteninformationen:Naturchemie

Zur Verfügung gestellt von der Max-Planck-Gesellschaft