Metalldotierte Kunststoffe als Wasserstoffspeicher?

13.12.2006

Effizientere Wasserstoffspeicherung in Feststoffen entwickelt

Wasserstoff wäre ein sehr umweltfreundlicher Treibstoff für Brennstoffzellen oder auch normale Otto-Motorentechnik. Das Wasserstoffauto scheitert bislang in der Praxis jedoch an zwei Punkten: der Erzeugung und der Speicherung des Wasserstoffs, letzteres insbesondere im Fahrzeug selbst. Doch effektivere Gasspeicher könnten bald verfügbar sein.

Wasserstoff lässt sich nicht ohne weiteres in einen normalen Gastank sperren: Er hat die kleinsten Moleküle aller Gase und diffundiert im Gegensatz zu komplexeren Kohlenwasserstoffen wie Butan oder Propan oder schwereren Gasen wie Sauerstoff und Stickstoff durch die Tankwände, ob diese nun aus Metall oder Kunststoff sind. Auch die Speicherfähigkeit hält sich in Grenzen: Bei entsprechend hohem Druck wird der "Schwund" durch die Tankwände zu stark.

Als Alternative wurde bereits versucht, Wasserstoff in Metallschäumen zu speichern. Hierbei ist jedoch das Problem, das der "Tank" zu schwer wird und damit das Fahrzeug unwirtschaftlich. Ein leichteres Material, das den Wasserstoff auf einfache Weise speichert und auch wieder freigibt, wäre gefragt.

Die beiden blau gekennzeichneten Titan-Atome erhöhen die Speicherfähigkeit des Polyethylen-Moleküs (gelbgrün) für Wasserstoffmoleküle (rot) (Bild: NIST)

Leichte Kunststoffe wie Polyethylen erscheinen hierfür interessant. Diese sind durchaus dazu im Stande, Wasserstoff zu speichern, doch war die Effizienz bisher sehr gering und somit kein Vorteil gegenüber den Metallschäumen erkennbar. Wie Forscher vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der türkischen Bilkent University nun festgestellt haben, reicht es jedoch, dem Ethylen-Molekül zwei Atome eines Übergangsmetalls, beispielsweise Titan, zuzufügen, um seine Speicherfähigkeit gewaltig zu erhöhen: 14% der Gewichts des Gewichts der Titan-Ethylen-Verbindung kann diese nun in Wasserstoff-Form aufnehmen, was angesichts der gegenüber Titan und Kohlenstoff leichteren Wasserstoffmoleküls eine sogar deutlich höhere Anzahl von Wasserstoffmolekülen bedeutet.

Die Wirtschaftlichkeit beim Speichern von Wasserstoff in Festststoffen wird nach Angaben des amerikanischen Departments of Energy bei 6,5% erreicht, also sogar weniger als der Hälfte. Nur mit reinem Polyethylen hatte man diese Grenze mit Mühe und Not erreicht: ein Ethylenmolekül konnte 10 Wasserstoffatome speichern. Mit dem Zusatz der zwei Titanatome verdoppelt sich dies auf 20 Wasserstoffatome, also zehn Wasserstoffmoleküle, die sich schon durch leichte Erwärmung wieder freisetzen lassen, sodass hierzu keine größeren Energiemengen erforderlich sind, die die Energiebilanz des Speichers verschlechtern würden.

In früheren Versuchen hatten der Forscher Taner Yildirim und seine Mitarbeiter Ähnliches mit Kohlenstoff-Nanofiguren versucht, die sie auf üblicherweise mit Titanatomen überzogen hatten. Doch diese waren viel zu schwierig herzustellen, während das neue Material in einem normaler einfachen chemischen Syntheseprozess erzeugt werden kann. Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben die Wissenschaftler in den Physical Review Letter veröffentlicht(doi:10.1103/PhysRevLett.97.226102).

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