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Magnesiumhydridcluster als Modell für Wasserstoffspeichermaterial

Bei der Wasserstoffspeicherung schlagen Sjoerd Harder und seine Kollegen von den Universitäten Groningen (die Niederlande) und Duisburg-Essen nun den molekularen Weg ein. Extrem kleine Partikel, so genannte Cluster, aus molekularem Magnesiumhydrid könnten als Modellsubstanz dienen, um die Prozesse bei der Wasserstoffspeicherung genauer zu untersuchen. Dies berichten die Wissenschaftler nun in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Das Auto der Zukunft könnte mit einer Brennstoffzelle betrieben werden, blickt die Gesellschaft Deutscher Chemiker voraus. Dementsprechend könnte es Wasserstoff tanken. Für die Chemiker stellt sich aber die Frage: In was für eine Art von Tank? Wasserstoff ist nicht nur hochexplosiv, sondern braucht als Gas auch ein großes Volumen, so die Gesellschaft. Die Speicherung in Form fester Metallhydride hoher Dichte sei eine besonders sichere Alternative und bringe 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 haben nun den molekularen Weg gewählt: Sie berichten, dass extrem kleine Partikel, so genannte Cluster, aus molekularem Magnesiumhydrid als Modellsubstanz dienen könnten, um die Prozesse bei der Wasserstoffspeicherung genauer zu untersuchen.

Magnesiumhydrid (MgH2) kann bei Bedarf Wasserstoff freisetzen, erklärt die Gesellschaft Deutscher Chemiker. Das entstehende Magnesium-Metall könnte dann wieder zum Hydrid reagieren, wenn Wasserstoff an der Tankstelle eingepresst würde, heißt es weiter. Leider sei das nur eine idealisierte Vorstellung. Denn es sei nicht nur die Geschwindigkeit der Freisetzung und Aufnahme von Wasserstoff ausgesprochen langsam (Kinetik), sondern der Tank arbeite nur bei höheren Temperaturen (Thermodynamik). Die Hydride, negativ geladene Wasserstoffatome (H-), seien so fest in das Kristallgitter der Magnesiumkationen (Mg2+) eingebunden, dass sich Wasserstoffgas erst oberhalb von 300 Grad Celsius freisetzen lasse.

Eine besonders intensive Mahlung mache inzwischen nanokristalline Materialien zugänglich, die aufgrund ihrer großen Oberfläche Wasserstoff rasch aufnehmen und freisetzen könnten. Die hohe Stabilität des Magnesiumhydrids macht dennoch hohe Freisetzungstemperaturen notwendig, erklärt die Gesellschaft. Kürzlich vorgenommenen Computerberechnungen zufolge sollten winzigste Partikel aus wenigen Atomen, so genannte Cluster, den Wasserstoff bereits deutlich unterhalb von 300 Grad Celsius abgeben, heißt es. Cluster mit weniger als 20 Mg2+-Ionen seien kleiner als ein Nanometer und sollen sich anders verhalten 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, heißt es.

Harders Team macht es nun umgekehrt berichtet die Gesellschaft: Statt größere Partikel zu zekleinern, bauen sie Magnesiumhydrid-Cluster aus Molekülen auf ("Bottom-up"-Ansatz). Die Herausforderung dabei sei, solche Cluster davon abzuhalten, in hochstabile Feststoffe weiterzureagieren. Den Forschern gelang das mit einem speziellen Ligandensystem, das heißt 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 Grad Celsius freisetzen.

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