MXene als Wasserstoff-Speicher: Auf die Diffusionsprozesse kommt es an

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.