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

<p class="x_MsoNormal">Schematische Darstellung des Kristallgitters von Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub> mit Wasserstoff und den zugeh&ouml;rigen Bindungsorbitalen. Links: normal zur c-Achse und rechts senkrecht zur c-Achse.</p>
<p class="x_MsoNormal">&nbsp;

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.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Prashanth Menezes erhält VAIBHAV-Stipendium der indischen Regierung
    Nachricht
    09.10.2025
    Prashanth Menezes erhält VAIBHAV-Stipendium der indischen Regierung
    Das indische Ministerium für Wissenschaft und Technologie hat die Empfängerinnen und Empfänger des Vaishvik Bhartiya Vaigyanik (VAIBHAV)-Stipendiums bekannt gegeben, einer Flaggschiff-Initiative zur Förderung der Zusammenarbeit zwischen der indischen Forschungs-Diaspora in den MINT-Fächern und führenden Forschungseinrichtungen in Indien. Zu den Preisträgern 2025 zählt Dr. Prashanth W. Menezes, der am HZB die Abteilung für Materialchemie für Katalyse leitet.
  • Sasol und HZB vertiefen Zusammenarbeit mit Fokus auf Digitalisierung
    Nachricht
    08.10.2025
    Sasol und HZB vertiefen Zusammenarbeit mit Fokus auf Digitalisierung
    Sasol Research & Technology und das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) erweitern ihre Partnerschaft auf den Bereich der Digitalisierung. Dabei bauen sie auf gemeinsamen Anstrengungen im Rahmen des CARE-O-SENE-Projekts und einer Anfang 2025 ins Leben gerufenen Industrial Fellowship auf. Die neue Initiative ist ein Schritt vorwärts bei der Nutzung digitaler Technologien, um Innovation bei Katalysatoren zu beschleunigen und die  wissenschaftliche Zusammenarbeit zu vertiefen.
  • Verleihung des Technologietransfer-Preises 2025
    Nachricht
    07.10.2025
    Verleihung des Technologietransfer-Preises 2025
    Die Verleihung des Technologietransfer-Preises wird am 13. Oktober um 14 Uhr im Hörsaal des BESSY-II-Gebäudes in Adlershof stattfinden.