Nanoröhren und Fußballmoleküle für mobile Brennstoffzellensysteme


In ihrem Computermodell konnten die Forscher zeigen, wie Titanatome (dunkelblau) an den Kohlenstoffatomen (hellblau) einer Nanoröhre andocken und vier Wasserstoffmoleküle (rot) einfangen. Grafik: NIST

Winzige Röhrchen aus Kohlenstoff und Moleküle in der Form eines Fußballs könnten künftig als Wasserstoffspeicher für mobile Brennstoffzellensysteme dienen. Diese Nanomaterialien können sehr viel Wasserstoff aufnehmen, wenn sie mit den Metallen Titan und Scandium beschichtet werden, haben Wissenschaftler aus den USA und der Türkei in einem Computermodell gezeigt.

Die Formenvielfalt solcher Nanomoleküle ist enorm: Begonnen hatte die Entwicklung vor zwanzig Jahren mit der Entdeckung der so genannten Buckyballs. Das sind Moleküle, die aus genau 60 Kohlenstoffatomen bestehen und genau wie ein Fußball aus Fünf- und Sechsecken zusammengesetzt sind. Bald erkannten Wissenschaftler jedoch, dass sich aus Kohlenstoffatomen nicht nur Bälle, sondern auch winzige Röhrchen oder hornförmige Gebilde zusammensetzen lassen.

Diesen Nanomaterialien ist gemein, dass sie im Verhältnis zu ihrer Masse eine sehr große Oberfläche aufweisen, die sich leicht mit anderen Atomen und Molekülen beschichten lässt. Auf diese Weise werden beispielsweise aus Nanohörnern bereits extrem effektive Elektroden für Brennstoffzellen hergestellt, die wegen ihrer hohen Oberfläche mit besonders wenig Platin als Katalysatormaterial auskommen.

Wie wirkungsvoll sich Nanomaterialien als Speicher für Wasserstoff einsetzen lassen, haben nun der amerikanische Wissenschaftler Taner Yildirim und sein türkischer Kollege Salim Ciraci in einem Computermodell simuliert: Werden Nanoröhrchen in bestimmter Weise mit Titan beschichtet, können sie eine etwa 8 Prozent ihrer Masse entsprechende Menge Wasserstoff aufnehmen. Vier Wasserstoffmoleküle werden dabei von einem Titanmolekül eingefangen und unter Einwirkung von Hitze wieder freigegeben.

Der Wert von 8 Prozent klingt zwar nach wenig, liegt jedoch deutlich höher als bei bisherigen Feststoffspeichern für Wasserstoff. Bei diesen so genannten Metallhydridspeichern wird der Wasserstoff in einer chemischen Reaktion in einen porösen Festkörper eingebunden. Gängige Materialien können dabei nur etwa 4,5 Prozent ihres Gewichts an Wasserstoff speichern. Metallhydridtanks sind daher im Verhältnis zu ihrer Speicherkapazität vergleichsweise schwer und zudem voluminös.

Aus diesem Grund werden Metallhydridspeicher bislang überwiegend dort eingesetzt, wo die Handhabung von Wasserstoff in Drucktanks zu aufwändig wäre, beispielsweise in Handys und anderen mobilen Kleinsystemen. Mit einem Material, das pro Gewichtseinheit sehr viel mehr Wasserstoff aufnehmen könnte, könnte sich das Blatt jedoch schnell wenden. Ab einer Speicherkapazität von 6 Prozent können solche Feststoffspeicher den Druckspeichern ernsthaft Konkurrenz machen, schätzen Experten. Diesen Wert können die beschichteten Buckyballs und Nanoröhrchen erreichen – ob und wie sie sich jedoch in großer Zahl industriell herstellen lassen, müssen erst weitere Forschungen zeigen. (Quelle: Ulrich Dewald; IBZ)

Mehr über die Arbeit der Forscher finden Sie unter: http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000094000017175501000001&idtype=cvips&gifs=Yes

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