In der Falle

Fahrzeuge mit Wasserstoff-Technologie benötigen effiziente Wasserstoffspeicher. Verschachtelte metallorganische Gerüste scheinen viel versprechend.

Der Erfolg der Wasserstoff-Technologie zum Antrieb von Fahrzeugen steht und fällt mit der Speicherung des Wasserstoffs, für die bisher keine wirklich befriedigende Lösung in Sicht ist. Ein Team aus Wissenschaftlern von der University of North Carolina und dem United States Department of Energy haben nun ein metall-organisches Material entwickelt, in dessen Hohlräumen Wasserstoffmoleküle "in der Falle sitzen" - vielleicht ein neuer Ausgangpunkt für das Design neuer Speichermedien.

Das Team um Wenbin Lin arbeitet mit Verbindungen aus dem Metall Zink und speziellen organischen Molekülen mit sechs oder acht aromatischen Sechsringen als zentralem Bauelement. Aromatische Ringe sind wichtig, weil sie eine starke Anziehung auf Wasserstoffmoleküle ausüben.

Dieses räumliche Modell verdeutlicht den Aufbau der Gerüststruktur: Kohlenstoff ist grau dargestellt, Sauerstoff rot, Stickstoff blau, Chlor grün und Zink türkis. (Quelle: Angewandte)

Wie sich zeigte, kristallisieren derartige metall-organische Bausteine zu einem dreidimensionalen Gitter mit sehr großen würfelförmigen Hohlräumen. Das Besondere dabei: Vier dieser Gitter sind ineinander geschoben und durchdringen sich gegenseitig. Entsprechend verkleinern sich die kubischen Hohlräume. Über offene Kanäle sind diese winzigen "Höhlen" von außen zugänglich. Im frischen Kristall sind sie zunächst durch Lösungsmittelmoleküle unregelmäßig besetzt. Diese "Gäste" können leicht vollständig entfernt werden, ohne dass das Gerüst kollabiert.

Die leeren Höhlen können Wasserstoffmoleküle aufnehmen. Bei einem Druck von 48 bar gelang es, 1,12 (Verbindung mit sechs Ringen) bzw. 0,98 Gewichtsprozent (Verbindung mit acht Ringen) Wasserstoff darin zu speichern - und auch wieder freizusetzen. Diese Speicherkapazität entspricht etwa der von Kohlenstoffnanoröhrchen, einem Material, das ebenfalls als Wasserstoffspeicher in der Diskussion ist. Gegenüber den Rekordhaltern in der eigenen Klasse der metallorganischen porösen Gerüste sind die zwei Neulinge nur wenig unterlegen. Diese Klassenbesten verdanken ihre Überlegenheit ihrer um das Fünf- bis Zehnfache größeren inneren Oberfläche.

Wie schaffen es also die beiden neuen metallorganischen Gerüste ohne eine besonders große Oberfläche oder ein besonders großes Porenvolumen, Wasserstoff doch so gut zu speichern? Wegen der mehreren ineinander verschachtelten Gitter kommen die Wasserstoffmoleküle in den Hohlräumen mit einer größeren Anzahl aromatischer Ringe in Kontakt als bei Poren in einem gewöhnlichen Einzelgitter. Der Wasserstoff sitzt regelrecht in der Falle. "Dieser Fallenmechanismus unserer aromatenreichen sich stark durchdringenden Gitterstrukturen" sagt Lin, "könnte einen neuen Weg weisen für die Entwicklung effektiver metallorganischer
Wasserstoffspeicher."

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Banu Kesanli, Yong Cui, Milton R. Smith, Edward W. Bittner, Bradley C. Bockrath, Wenbin Lin, Highly Interpenetrated Metal-Organic Frameworks for Hydrogen Storage, Angew. Chem. 117 (1), 74 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200461214 
• Zeitschrift Angewandte Chemie:
  http://www.angewandte.org 
• Arbeitsgruppe W. Lin:
  http://www.unc.edu/%7Ewlin/ 
• Department of Chemistry, University of North Carolina:
  http://www.chem.unc.edu 
• University of North Carolina:
  http://www.unc.edu 
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