Superionische Verbindung mit dem höchsten Wasserstoffgehalt erfolgreich vorhergesagt und erforscht

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Jilin in China entdeckte eine Gruppe von Skoltech-Forschern unter der Leitung von Professor Artem R. Oganov eine einzigartige Verbindung – Strontiumhydrid SrH22. Es hat den höchsten bisher bekannten Wasserstoffgehalt und ist bei Drücken von 80–140 Gigapascal (etwa eine Million Atmosphären) stabil. Die erhaltene Verbindung hat bewegliche Wasserstoffe, die Ladung transportieren können.

Die „Jagd“ nach Polyhydriden – Verbindungen mit hohem Wasserstoffgehalt – begann 2015, als eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Deutschland experimentell bewies, dass sich Schwefelhydrid H2S bei einem Druck von 150 Gigapascal in eine neue Verbindung umwandelt – Schwefeltrihydrid H3S, was sich herausstellte zu einem Hochtemperatur-Supraleiter, der bei einer damaligen Rekordtemperatur von 203 Kelvin (-70 Grad Celsius) an elektrischem Widerstand verliert. Dies war eine ziemlich signifikante Temperaturerhöhung im Vergleich zu bisher bekannten Supraleitern.

„Das ultimative Ziel der Untersuchung dieser ‚seltsamen‘ Verbindungen ist es, diejenigen zu bestimmen, die bei nahezu Raumtemperatur und zumindest hohem oder noch besser niedrigem Druck supraleitend sind. Einige der besten bisher bekannten Hochtemperatur-Supraleiter, wie YH6 und (La,Y)H10, wurden in unserem Labor unter Verwendung des USPEX-Algorithmus untersucht“, sagt Skoltech-Professor Artem R. Oganov, der Schöpfer eines einzigartigen Algorithmus zur Vorhersage von Kristallstrukturen. Für jede Kombination chemischer Elemente bestimmt es, welche Verbindungen stabil sind und welche Strukturen sie bilden.

In der neuen Arbeit wandten sich die Wissenschaftler Strontium zu, um zu sehen, ob es stabile Polyhydride bilden kann. Der USPEX-Algorithmus sagte theoretisch voraus, dass die stabile Verbindung SrH22 bei Drücken von 80–140 GPa existieren sollte. Eine Forschungsgruppe der Professoren Xiaoli Huang und Tian Cui von der Universität Jilin führte ein Experiment zur Synthese von Strontiumpolyhydriden durch, bei dem molekularer Wasserstoff mit Strontium dotiert wurde, was bedeutet, dass eine kleine Menge dieses Metalls als Verunreinigung hinzugefügt wurde. Um die Bildung von stabilem Strontiumpolyhydrid im Experiment zu bestätigen, wurde sein Kristallgitter durch Röntgenbeugungsanalyse untersucht. Das resultierende Muster entsprach vollständig der Kristallstruktur von SrH22.

„Experiment und Theorie ergänzen einander. Der auf Röntgenbeugung basierende experimentelle Ansatz kann die räumliche Anordnung von Wasserstoffatomen nicht bestimmen. Aber die Theorie kann nicht nur ihre Lage vorhersagen, sondern auch die Dynamik, Ladungen und Transporteigenschaften fanden heraus, dass Strontiumatome hochgeordnet angeordnet sind, während Wasserstoffatome im Raum ‚verschmiert‘ sind, sich ständig bewegen und sich im Allgemeinen eher wie eine Flüssigkeit verhalten“, sagt Dr. Skoltech. Student, der erste Autor des Artikels, Dmitrii Semenok.

Das experimentell bestätigte Strontiumpolyhydrid SrH22, die wasserstoffreichste bisher bekannte Verbindung, besteht aus H2-Molekülen, die um ein hochorganisiertes Strontium-Untergitter verteilt sind. Darüber hinaus macht die hohe Mobilität von Wasserstoff SrH22 zu einem guten Ionenleiter, was die Möglichkeit eröffnet, es für elektrochemische Umwandlungen bei hohem Druck zu verwenden. Dadurch können neue wertvolle Polyhydride gewonnen werden, die nicht direkt aus Metallen und Wasserstoff synthetisiert werden können. Eine weitere mögliche Anwendung dieser Entdeckung ist das Design neuer Verbindungen für Wasserstoffbatterien.

„Man kann sich vorstellen, dass wir eine Kiste mit Lego-Teilen haben, wir wühlen darin herum und versuchen herauszufinden, welche Teile unseren Bedürfnissen entsprechen. Wir haben herausgefunden, dass die Elemente der zweiten und dritten Gruppe des Periodensystems am günstigsten für die sind Bildung von Hochtemperatur-Supraleitern, Strontium ist einer davon, aber wir sehen jetzt, dass es in seiner reinen Form nicht ganz geeignet ist, aber seine Hydride sind chemisch sehr interessant, und wenn sie mit anderen Metallen mit mehr Elektronen dotiert sind – Yttrium, Zirkonium, Titan – kann es möglich sein, Hochtemperatur-Supraleitung zu erreichen. Also haben wir das entsprechende ‚Lego-Stück‘ untersucht und festgestellt, dass es nicht alleine passt, aber wenn es mit etwas anderem kombiniert wird, könnte es funktionieren.“ erklärt Oganow.