MXene als Wasserstoff-Speicher: Auf die Diffusionsprozesse kommt es an
Schematische Darstellung des Kristallgitters von Ti3C2 mit Wasserstoff und den zugehörigen Bindungsorbitalen. Links: normal zur c-Achse und rechts senkrecht zur c-Achse.
© N. Nickel / HZB
Für die Speicherung von Wasserstoff sind 2D-Materialien wie MXene von großem Interesse. Ein Experte aus dem HZB hat die Diffusion von Wasserstoff in MXene mittels Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die Modellierungen liefern Einblicke in die wichtigsten Diffusionsmechanismen und die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Ti3C2 MXene und liefern eine belastbare Grundlage für experimentelle Untersuchungen.
Wasserstoff ist ein Energieträger, der sich durch Elektrolyse von Wasser mit „grünem“ Strom klimafreundlich produzieren lässt. Allerdings ist die Speicherung von Wasserstoff nicht ganz einfach. Hier könnten MXene eine interessante Option bieten. MXene sind Verbindungen aus Metall und Stickstoff oder Kohlenstoff, die eine zweidimensionale hexagonale Struktur bilden und dadurch besondere physikalische und chemische Eigenschaften besitzen. Sowohl in als auch zwischen den 2D Schichten können sich Atome und Moleküle, beispielsweise Wasserstoff, einlagern. „Wir wissen aber, dass Wasserstoffatome und sogar Moleküle komplexe Bindungen in MXene und an dessen Oberflächen bilden“, sagt Prof. Dr. Norbert Nickel, Physiker am HZB. Will man Wasserstoff speichern, kommt es aber auch darauf an, dass sich der im Material gebundene Wasserstoff bei Bedarf auch wieder aus dem Material herauslösen lässt.
Experimentell wurde bereits mit Neutronenstreuexperimenten gezeigt, dass sich Wasserstoff in das MXen-Material Ti3C2 einlagern lässt. Wie genau aber die Wasserstofforbitale mit den Titan- und Kohlenstoff-Orbitalen wechselwirken, hat Nickel bereits in 2024 mit Hilfe der etablierten Dichtefunktionaltheorie berechnet. Seine Ergebnisse geben Aufschluss über die Art der chemischen Bindung von Wasserstoff, sowie über den Einfluss der Temperatur auf den Diffusionsprozess (Annalen der Physik, 536, 2400011 (2024)). Die quantenmechanischen Berechnungen der Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffatomen und Molekülen mit Ti3C2 zeigen jedoch, dass das einfache Bild der chemischen Bindung nicht reicht, um die Bindungseigenschaften von Wasserstoff zu beschreiben.
In einer neuen Arbeit in 2025 hat Nickel nun die chemischen Orbitale weiter analysiert: Dabei zeigten die Berechnungen, dass interstitielle Wasserstoffatome und Moleküle s-artige Bindungen mit benachbarten Titanatomen und s-p Hybridorbitale mit benachbarten Kohlenstoffatomen bilden.
Für den Diffusionsprozess ist es wichtig, dass solche chemischen Bindungen gelöst werden können. In Festkörpern können Fremdatome, z.B. Wasserstoff, entweder über Leerstellen oder über Zwischengitterplätze diffundieren. Die Diffusion hängt also von der Konzentration von Leerstellen und Zwischengitterplätzen ab. „Die Modellierung zeigt, dass der Transport von Wasserstoff in Ti3C2 über Zwischengitterplätze erfolgt und die Diffusion über Leerstellen keine Rolle spielt“, fasst Nickel das Ergebnis zusammen. Dadurch können Wasserstoffatome und Moleküle in Ti3C2 MXene eine hohe Beweglichkeit mit Diffusionskoeffizienten von 2.4 × 10−5 cm−2/s bei einer moderaten Temperatur von 500 K erreichen.
Die Berechnungen der orbitalen Wechselwirkungen von Wasserstoff und Ti3C2 ermöglichen außerdem erstmals im Voraus abzuschätzen, in welchen Parameterbereichen besonders interessante experimentelle Beobachtungen zu erwarten sind, zum Beispiel mit spektroskopischen Messungen an BESSY II.
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im PaläozänVor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.