Wasserstoff-Technologie: In der Falle

Wasserstoff soll die Autos der Zukunft antreiben - doch leider lässt sich der Treibstoff nur schwer speichern. Amerikanische Chemiker haben nun ein metall-organisches Material entwickelt, in dessen Hohlräumen Wasserstoff-Moleküle in der Falle sitzen. Ein Ausgangpunkt für das Design neuer Speichermedien?

Der Erfolg der Wasserstoff-Technologie zum Antrieb von Fahrzeugen steht und fällt mit der Speicherung des Wasserstoffs, für die bisher keine wirklich befriegende Lösung in Sicht ist. Als Speicher haben sich allerdings bereits aromatische Ringsysteme bewährt, üben sie doch eine starke Anziehung auf Wasserstoff-Moleküle aus.

Zink-Cluster | Die als Wasserstoff-Speicher verwendete metall-organische Cluster besteht aus einem zentralen Zink-Atom mit angeknüpften aromatischen Ringen (links). Diese Bausteine kristallisieren zu einem dreidimensionalen Gitter mit würfelförmigen Hohlräumen (rechts).

Das Team um Wenbin Lin von der Universität von North Carolina experimentierte nun mit Verbindungen aus dem Metall Zink und speziellen organischen Molekülen mit sechs oder acht aromatischen Sechsringen als zentralem Bauelement. Wie sich zeigte, kristallisierten derartige metall-organische Bausteine zu einem dreidimensionalen Gitter mit sehr großen würfelförmigen Hohlräumen.

Gitterstruktur | Die würfelförmigen Gitter sind ineinander verschoben und bilden so kleinere Hohlräume (links schematisch; rechts als Kalottenmodell), die als Wasserstoff-Speicher dienen können.

Das Besondere dabei: Vier dieser Gitter waren ineinander geschoben und durchdrangen sich gegenseitig – entsprechend verkleinerten sich die kubischen Hohlräume. Diese winzigen "Höhlen", in denen im frischen Kristall Lösungsmittelmoleküle unregelmäßig saßen, waren über offene Kanäle von außen zugänglich. Die "Gäste" konnten daher leicht vollständig entfernt und anschließend durch Wasserstoff-Moleküle ersetzt werden.

Bei einem Druck von 48 Bar gelang es den Chemikern, etwa ein Gewichtsprozent Wasserstoff darin zu speichern – und auch wieder freizusetzen. Die Speicherkapazität entsprach damit etwa der von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, einem Material, das ebenfalls als Wasserstoffspeicher in der Diskussion ist. Gegenüber den Rekordhaltern in der eigenen Klasse der metall-organischen porösen Gerüste waren die zwei Neulinge mit sechs oder acht Ringen zwar etwas unterlegen; die Klassenbesten verdanken jedoch ihre Überlegenheit ihrer um das Fünf- bis Zehnfache größeren inneren Oberfläche.

Wie schafften es die beiden neuen Gerüste ohne eine besonders hohe Oberfläche oder ein besonders großes Porenvolumen, Wasserstoff doch so gut zu speichern? Wegen der mehreren ineinander verschachtelten Gitter kamen die Wasserstoff-Moleküle in den Hohlräumen mit einer größeren Anzahl aromatischer Ringe in Kontakt als bei Poren in einem gewöhnlichen Einzelgitter: Der Wasserstoff saß regelrecht in der Falle.

"Dieser Fallenmechanismus unserer aromatenreichen sich stark durchdringenden Gitterstrukturen", betont Lin, "könnte einen neuen Weg weisen für die Entwicklung effektiver metall-organischer Wasserstoff-Speicher."