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Grüner Wasserstoff: Zwei Fehler des Wassers sichtbar gemacht

Wasserstoff aus Wasser herzustellen, erfordert viel Energie. Um das Problem zu lösen, muss man wissen, was genau das Wasser dabei macht. Ein erster Einblick ist nun gelungen.
Visualisierung einer Wasserschicht auf Metall
Die Wassermoleküle ordnen sich auf Metall in einem Sechseckmuster an. Zusätzliche positiv geladene Wasserstoffatome müssen sich an diese Struktur anpassen und erzeugen dabei typische Störungen in der Schicht.

Zwei entscheidende Fehler in der Wasserstruktur, die auch die Produktion von grünem Wasserstoff beeinflussen, haben Fachleute nun erstmals im Mikroskop abgebildet. Die Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen der Arbeitsgruppe um Ye Tian von der Universität Peking zeigen, wie sich durchs Wasser bewegende Protonen, positiv geladene Wasserstoffatome, die so genannten Zundel- und Eigendefekte bilden. Wie das Team in dem Fachmagazin »Science« berichtet, sind diese Bindungszustände außerdem auf Elektroden aus Gold und Platin unterschiedlich häufig. Die verschiedenen, die Wasserstruktur störenden Bindungszustände der positiv geladenen Protonen beeinflussen, wie die Protonen zu molekularem Wasserstoff reagieren – und damit auch, wie viel Strom man für die Produktion von Wasserstoff braucht.

Zundel- und Eigen-Kationen | Zusätzliche Protonen können sich auf zwei Arten in die Wasserstruktur einfügen. Die Abbildung zeigt jeweils einen Ausschnitt aus der Wasserschicht. Gestrichelte Linien sind die schwächeren Wasserstoffbrückenbindungen.

Um Wasserstoff durch Elektrolyse zu erzeugen – der entscheidende Schritt der angestrebten »Wasserstoffwirtschaft« –, pumpt man Strom in eine dünne Wasserschicht, die sich auf der Elektrode gebildet hat. Doch was dann genau passiert, ist noch rätselhaft. Die Protonen des Wassers nehmen Elektronen auf und lösen dabei ihre Bindungen an den Sauerstoff. Das kostet viel Energie, und ein Teil davon lässt sich womöglich einsparen, wenn man sorgfältig steuert, wie die Protonen in der Wasserschicht direkt an der Elektrode gebunden sind.

Um das zu studieren, dampfte das Team im Hochvakuum eine einzelne Schicht Wassermoleküle auf Metall auf. Dieses Wasser ordnet sich in einem Sechseck-Netzwerk an, in dem jedes Wassermolekül von drei anderen umgeben ist und mit diesen Wasserstoffbrücken bildet. Anschließend gaben sie zusätzliche Protonen hinzu, die sich in das Netzwerk einfügten. Schließlich vermaßen die Fachleute die Struktur mit einem Rasterkraftmikroskop, dessen Spitze aus einem einzelnen Molekül besteht. Nur so lässt sich die nötige Auflösung erreichen, um zwischen einer »echten« chemischen Bindung und einer schwächeren Wasserstoffbrückenbindung zu unterscheiden.

Das Team um Tian zeigte so nicht nur, dass man die beiden Fehler in der Wasserstruktur direkt abbilden kann – es bestätigte auch einige theoretische Vorhersagen. Zum Beispiel sind die das zusätzliche Proton umgebenden Wassermoleküle leicht von der Metalloberfläche abgehoben, wie Modelle auch prognostiziert hatten. Außerdem ist das Zahlenverhältnis der beiden Defekttypen abhängig von der Oberfläche. Das legt nahe, dass sich die Herstellung von Wasserstoff durch gezielte Steuerung dieser Bindungsverhältnisse verbessern lässt. Dazu allerdings müssen nun Verfahren entwickelt werden, die nicht nur die statischen Strukturen zeigen, sondern wie sich die Protonen in Echtzeit verhalten.

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