Wasserstoff (H2) wird derzeit als idealer Energieträger der erneuerbaren Energien diskutiert. Wasserstoff hat die höchste gravimetrische Energiedichte aller chemischen Kraftstoffe (141 MJ/kg), die dreimal höher ist als Benzin (46 MJ/kg). Seine geringe volumetrische Dichte schränkt jedoch seinen breiten Einsatz in Transportanwendungen ein, da die derzeitigen Speicheroptionen viel Platz benötigen.
Bei Umgebungstemperatur ist Wasserstoff ein Gas, und ein Kilogramm Wasserstoff nimmt ein Volumen von 12000 Litern (12 Kubikmeter) ein. In Brennstoffzellenfahrzeugen wird Wasserstoff unter einem sehr hohen Druck von 700-fachem Atmosphärendruck gespeichert, was das Volumen auf 25 Liter pro Kilogramm H2 reduziert. Flüssiger Wasserstoff weist mit 14 Litern pro Kilogramm eine höhere Dichte auf, erfordert aber extrem niedrige Temperaturen, da der Siedepunkt von Wasserstoff bei minus 253 °C liegt.
Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, der Technischen Universität Dresden, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und des Oak Ridge National Laboratory gezeigt, dass Wasserstoff bei sehr niedriger Temperatur in der Nähe von H2 auf einer Oberfläche kondensiert Siedepunkt und bildet eine superdichte Monoschicht, die die Dichte von flüssigem Wasserstoff um fast das Dreifache übersteigt, was das Volumen auf nur 5 Liter pro Kilogramm H2 reduziert.
Das überraschende Ergebnis war, dass doppelt so viele H2-Moleküle wie Atome des Edelgases Argon die Oberfläche bedeckten, obwohl beide nahezu gleich groß sind. Um die Anzahl der Moleküle pro Fläche zu verdoppeln, quetschen sich H2-Moleküle eng zusammen und bilden eine superdichte Schicht.
Die Studie von R. Balderas-Xicohténcatl et al. umfasste hochauflösende Kryoadsorptionsexperimente an hochgeordnetem mesoporösem Siliziumdioxid mit gut definierten Poren- und Oberflächeneigenschaften, um die Anzahl der auf der Materialoberfläche kondensierten Moleküle zu bestimmen.
Inelastische Neutronenstreuung ist ein ideales Werkzeug, um die Bildung dieser zweidimensionalen Wasserstoffschicht zu verfolgen. Zum ersten Mal wurde die Existenz dieses superdichten Wasserstoffs in situ bestätigt. Diese direkte Beobachtung war nur mit dem hochauflösenden Neutronenschwingungsspektrometer VISION möglich, das eine mehr als 100-mal höhere inelastische Zählrate als jedes vergleichbare verfügbare Spektrometer aufweist.
Theoretische Studien bestätigen die experimentellen Beobachtungen der ungewöhnlich hohen Wasserstoffdichte in der adsorbierten Schicht. Die Anziehungskräfte an der Oberfläche waren stärker als die Abstoßung zwischen zwei Wasserstoffmolekülen, was zu einer superdichten Wasserstoffpackung auf der mesoporösen Silica-Oberfläche führte. Die superhohe Dichte ist eine Folge der hohen Kompressibilität von Wasserstoff, der keine Kernelektronen hat.
Von grundlegendem Interesse ist die Bildung der superdichten Wasserstoffschicht bei niedrigen Temperaturen nahe dem Siedepunkt. Es sollte für die quantitative Analyse von H2-Adsorptionsisothermen bei 20 K in Betracht gezogen werden. Es kann auch neue Möglichkeiten zur Verbesserung der volumetrischen Kapazität von kryogenen Wasserstoffspeichersystemen für viele Anwendungen in einer kommenden Wasserstoffwirtschaft eröffnen.
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturchemie.
Rafael Balderas-Xicohténcatl et al, Bildung einer superdichten Wasserstoff-Monoschicht auf mesoporösem Silica, Naturchemie (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01019-7