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News: Moleküle im Käfig

Nach wie vor wird Wasserstoff als Energielieferant der Zukunft gehandelt. Vielleicht verhilft ihm ein kristallines Material aus organischen und anorganischen Komponenten eines Tages zum Durchbruch.
MOF-5
Hersteller versprechen viel, insbesondere dann, wenn es um die Akkulaufzeiten ihrer Geräte geht: 300 Stunden Bereitschaft und sechs Stunden Gesprächszeit sollen Handys bewältigen. MP3-Spieler verheißen bis zu zehn Stunden Hörgenuss, und selbst Laptops verlangen angeblich erst nach drei bis vier Stunden Strom aus der Steckdose. Die Realität sieht freilich anders aus, und so scheint die Lieblingsbeschäftigung der mobilen Gesellschaft das Strippenziehen zu sein – immer dann, wenn eine Steckdose in Sicht ist.

So mancher schielt deshalb schon nach einer alternativen Art der Energieversorgung. Brennstoffzellen gelten beispielsweise als heiße Anwärter, die Stromversorgung mobiler Geräte zu gewährleisten. Unkompliziert sollen sie aus Wasserstoff oder anderen chemischen Energieträgern Strom gewinnen und so für stundenlange Unabhängigkeit sorgen. Doch bis diese Technik wirklich erwachsen ist, gilt es noch so manche technische Hürde zu überwinden. Die Speicherung und der Transport des Wasserstoffs ist einer der Knackpunkte.

Denn um lange Betriebszeiten zu garantieren, muss möglichst viel des energiespendenden Gases zur Verfügung stehen. Das Speichermaterial selbst darf dabei nicht zu schwer sein, muss bei gewöhnlichen Temperaturen und Drücken seinen Inhalt bereitwillig freisetzen und sich nicht zuletzt schnell wieder befüllen lassen.

Vor fast vier Jahren entdeckten Chemiker um Omar Yaghi von der Arizona State University in Tempe ein neues Material, das würfelförmige Kristalle bildete, deren kubische Elementarzelle sich sowohl aus anorganischen Kationen (Zinkoxid) in den Ecken als auch aus organischen Anionen (Benzoldicarboxylat) an den Kanten zusammensetzt [1]. Das Besondere an diesem metallorganischen Gerüst (metal-organic framework, MOF) war der große Hohlraum inmitten der Elementarzelle, in den sich andere Moleküle einschleusen ließen.

Nachdem die Wissenschaftler zunächst daran dachten, das Material – MOF-5 genannt – als Katalysator zu verwenden, experimentierten sie später mit seinen Speichereigenschaften. Und nach Stickstoff und Methan probierten sie es nun auch mit Wasserstoff [2]. Yaghi, der mittlerweile an der University of Michigan tätig ist, prüfte zusammen mit seinem Mitarbeiter Nathaniel Rosi und einigen anderen Kollegen zunächst die Aufnahmekapazität bei 78 Kelvin – tiefen Temperaturen also, die sich erst mit flüssigem Stickstoff erreichen lassen.

Wie sich zeigte, ließ sich das Material bei diesen Bedingungen schon bei recht niedrigem Druck unterhalb von hundert Kilopascal mit bis zu 4,5 Gewichtsprozent Wasserstoff befüllen. Ein solcher Druck ist spielend mit einer herkömmlichen Luftpumpe aufzubringen. Bei Raumtemperatur war allerdings etwas mehr Gewalt nötig. Mit zwei Megapascal ließ sich aber immerhin noch ein Füllstand von einem Gewichtsprozent erreichen. Das ist zwar weit entfernt von jenen 6,5 Gewichtsprozent, die das amerikanische Department of Energy als Ziel für die Automobilindustrie ausgerufen hat, aber durchaus konkurrenzfähig zu anderen Speichermaterialien wie beispielsweise Metallhydriden oder Kohlenstoffnanoröhrchen. Und im Vergleich zu letzteren ist MOF-5 verhältnismäßig leicht aus Zinkoxid und Terephthalsäure zu synthetisieren und gibt außerdem problemlos das gespeicherte Gas bei geringem Druck wieder frei, was sich von den Metallhydriden nicht unbedingt behaupten lässt.

Außerdem haben Yaghi und Co die 6,5-Prozent-Vorgabe durchaus im Visier, denn mit anderen organischen Verbindungen, die als Bindeglied zwischen den Zinkoxid-Ecken dienen, ließ sich noch mehr Wasserstoff in den molekularen Käfig sperren. So waren mit Naphthalin auf den Kanten des Würfels schon zwei Gewichtsprozent bei einem Megapascal zu erreichen.

Dass den organischen Bindegliedern auf den Würfelkanten eine besondere Bedeutung bei der Wasserspeicherung zukommt, offenbarte auch die Streuung von Neutronen an dem Material. Denn damit ließen sich sowohl die organischen Moleküle wie auch die Metalloxidecken der würfelförmigen Elementarzelle als Bindungsstellen für die Wasserstoffmoleküle ausmachen. Bei niedrigem Druck wurden dabei zunächst die Zinkoxid-Anlaufstellen besetzt und erst bei höherem Druck die organischen Bindungsplätze.

Die Forscher sind jedenfalls durchaus zuversichtlich, mit weiteren Verbesserungen schließlich ein Material zu schaffen, dass dazu taugt, den Wasserstoffbedarf von Fahrzeugen und mobilen elektronischen Geräten zu decken.

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