Innovativer Wasserstoffspeicher: Nano-Pralinen aus Palladium

Wasserstoff zu speichern ist bislang schwierig. Winzige Palladium-Teilchen könnten der Durchbruch sein.

Grüner Wasserstoff gilt als wichtiger Protagonist in der Energiewende. Als Energieträger eingesetzt, könnte er klimaschädliche Emissionen in Industrie und Verkehr deutlich reduzieren. Doch bis es soweit ist, gilt es noch so manches technische Problem zu lösen. Neben dem bisher vergleichsweise hohen Energieaufwand bei der Erzeugung ist auch die Speicherung eine Herausforderung. Denn Wasserstoff kann nur unter sehr hohem Druck oder aber extrem gekühlt in flüssiger Form gelagert werden. Beides verbraucht viel Energie. Eine mögliche Alternative haben Forschende des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg entwickelt. Winzige Kügelchen aus Palladium stehen dabei im Mittelpunkt. 

Dass das Edelmetall Wasserstoff praktisch aufsaugt wie ein Schwamm, ist schon länger bekannt. Allerdings gibt es ihn auch nur schwer wieder frei und eignet sich daher kaum als Speicher. Zumindest bislang. „Deshalb versuchen wir es mit Palladium-Teilchen, die lediglich 1,2 Nanometer messen“, erklärt Andreas Stierle, Teamleiter des Forschungsprojekts. Denn diese sollen das Gas nur an der Oberfläche binden. Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter. Die Palladium-Nanopartikel werden durch einen Kern aus Iridium stabilisiert, einem weiteren Metall aus der Platingruppe, damit der Wasserstoff nicht mehr in sie eindringen kann. Zusätzlich sind sie in Abständen von nur zweieinhalb Nanometern auf Graphen fixiert, einer extrem dünnen Lage aus Kohlenstoff. So entstehe eine regelmäßige, periodische Struktur, erklärt Stierle. 

Wie eine Praline aus kleinsten Teilchen: Ein Kern aus Iridium (rot) wird von Palladium-Nanopartikeln (grün) umhüllt. Auf deren Oberfläche kann sich Wasserstoff wie eine Schokoladenglasur anlagern – und wird durch Erwärmen wieder abgelöst.
Bild: DESY, Andreas Stierle

Praline mit Iridium-Nuss und Palladium-Marzipan

Was passiert nun, wenn Wasserstoff in Kontakt mit dem winzigen Konstrukt kommt? Nachverfolgen konnten die Forschenden das an PETRA III, der Röntgenlichtquelle des DESY: Der Wasserstoff blieb fast komplett an der Oberfläche haften, in den Kern drang kaum etwas ein. Das Ganze ähnele einer Praline, mit einer „Iridum-Nuss“ in der Mitte, umhüllt von einer „Marzipanschicht“ aus Palladium und einem „Schoko-Überzug“ aus Wasserstoff. Um den Speicher wieder zu entladen, reicht eine leichte Erwärmung. Die Gasmoleküle lösen sich rasch von der Oberfläche ab, weil sie sich nicht mehr den langen Weg aus dem Inneren des Nanoteilchens bahnen müssen.

Bis der vielversprechende neue Forschungsansatz in der Industrie eingesetzt werden kann, gilt es aber noch einige Herausforderungen zu bewältigen, heißt es in der Mitteilung. Welche Speicherdichte sich mit der neuen Methode erreichen lässt, müsse noch erforscht werden. So denkt das Forschungsteam zum Beispiel über andere Kohlenstoffstrukturen als Graphen nach, die sich besser als Trägermaterial eignen, etwa Kohlenstoffschwämme mit winzigen Poren. In ihnen lassen sich aller Voraussicht nach noch größere Mengen an Palladium-Nanoteilchen unterbringen.

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