Forscher am Institut für Zellmaterialwissenschaften (iCeMS) der Universität Kyoto haben einen neuen Ansatz entwickelt, um die Bewegung von Wasserstoffatomen durch eine Kristallgitterstruktur bei niedrigeren Temperaturen zu beschleunigen.
„Eine Verbesserung des Wasserstofftransports in Feststoffen könnte zu nachhaltigeren Energiequellen führen“, sagt Hiroshi Kageyama von iCeMS, der die Studie leitete.
Negativ geladene Wasserstoff-„Anionen“ können sich sehr schnell durch ein festes „Hydrid“-Material bewegen, das aus Wasserstoffatomen besteht, die an andere chemische Elemente gebunden sind. Dieses System ist ein vielversprechender Kandidat für saubere Energie, der schnelle Transport erfolgt jedoch nur bei sehr hohen Temperaturen, über 450 °C. Kageyama und sein Team haben herausgefunden, wie sich Wasserstoffanionen bei viel niedrigeren Temperaturen noch schneller durch ein Hydrid bewegen können.
„Früher glaubte man, dass der Schlüssel zu einer hohen Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen darin liege, die Hochtemperaturphase eines Materials durch die Einführung chemischer Störungen zu stabilisieren“, sagt Kageyama. Wissenschaftler tun dies, indem sie der Struktur sauerstoffhaltige Verbindungen, sogenannte Oxide, hinzufügen. Stattdessen führten Kageyama und seine Kollegen eine geordnete Struktur in einen Bariumhydridkristall ein, die dazu führte, dass sich Wasserstoffanionen selbst bei 200 °C deutlich schneller bewegten.
„Das Erreichen einer hohen Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen durch die Anordnung der Anionen ist beispiellos und könnte in Zukunft auf verschiedene Ionenleiter anwendbar sein“, sagt Kageyama.
Kageyama und sein Team veränderten die Struktur eines typischen Bariumhydrids, indem sie auf beiden Seiten Schichten einführten, die aus an ein anderes Anion gebundenem Wasserstoff bestehen. Auf diese Weise stellten sie drei verschiedene Materialien her, wobei sie Bromid-, Chlorid- oder Iodidanionen verwendeten. Dies verlieh dem ursprünglichen Material eine geordnetere Struktur und verhinderte, dass es sich beim Abkühlen von dem äußerst stabilen und symmetrischen sechseckigen Gitter, das man normalerweise bei hohen Temperaturen findet, in eine weniger stabile orthorhombische Struktur verändert. Wasserstoffanionen bewegten sich bei 200 °C sehr schnell durch das organisierte Gitter. Das Material leitete die Wasserstoffanionen sogar bei Raumtemperatur, wenn auch langsamer.
„Verbesserung der Leitfähigkeit von Wasserstoffanionen bis in den Raum hinein Temperaturen könnte den Betrieb elektrochemischer Geräte wie Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen ermöglichen und Möglichkeiten für deren Verwendung als industrielle Katalysatoren oder als feste Wasserstoffquellen für Hydrierungsreaktionen eröffnen“, sagt Kageyama.