Ein ans Material angelegtes elektrisches Feld kann die Speicherkapazität für Wasserstoff deutlich verbessern

Beijing (China)/Richmond (USA) - Wasserstoff wäre wohl der ideale Energieträger für Wärme, Antrieb und Verkehr, wenn er sich denn effektiver speichern und wieder freigeben ließe. Jetzt zeigt ein internationales Forscherteam, dass das Anlegen elektrischer Felder das Speichern des Brennstoffes künftig erleichtern könnte. Die Felder sorgen dafür, dass das Speichermaterial mehr Wasserstoff aufnehmen kann – und dafür, dass er schneller wieder freigegeben wird, etwa beim Tankvorgang. Ihren bislang nur theoretischen Durchbruch für die Zukunft des Wasserstoffs beschreiben die Forscher in einer Vorabveröffentlichung der "Proceedings of the National Academy of Sciences". Er soll nicht nur den Speichervorgang optimieren, sondern auch passende neue Materialien entwickeln helfen. Wasserstoff gilt als saubere Alternative zu fossilen Brennstoffen wie Öl, Gas und Kohle, weil es – als häufigstes Element des Universums – umweltfreundlich, sauber und ungiftig verbrennt.

"Dies ist ein Paradigmenwechsel im Herangehen an das Speichern von Wasserstoff. Bisher zielten die Anstrengungen nur darauf, die Zusammensetzung des Speichermaterials zu verändern. Wir zeigen hier, dass ein angelegtes elektrisches Feld dasselbe tun kann wie dotierte Metallionen", erklärte Puru Jena, Physikprofessor an der Virginia Commonwealth University. Gemeinsam mit Kollegen der Universität Beijing und dem Shanghai Institute of Technical Physics hatte Jena das neue Prinzip entwickelt, das die Thermodynamik und Umkehrbarkeit des Systems verbessert. Obendrein, so Jena, "vermeidet es viele Probleme, die mit dotierten Metallionen verbunden sind, etwas das Clustern von Metallionen, das 'Vergiften' der Metallionen durch andere Gase sowie einen komplizierten Syntheseprozess". Zudem werde der Wasserstoff wieder freigesetzt, sobald das elektrische Feld entfernt werde, so dass sich der Prozess unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen sehr schnell umkehren lasse.

Voraussetzung des neuen Prinzips sind Speichermaterialien mit stark polarisierbaren Nichtmetallionen. Dann erzielen bereits schwache elektrische Felder die gewünschte Wirkung, so die Forscher. Sie nutzten die so genannte Dichtefunktionaltheorie, um die Adsorption von Wasserstoffmolekülen an verschiedene Nanomaterialien nachzuweisen. So erhöhte ein angelegtes elektrisches Feld die Bindungsenergie etwa von 0,03 eV/H2 auf 0,14 eV/H2. Durch Ausschalten des Feldes werden die adsorbierten Wasserstoffmoleküle leicht wieder freigesetzt, die Reversibilität des Systems erfolgt mit deutlich schnellerer Kinetik als bei bisherigen Materialien.