Neues Material speichert viel Wasserstoff

Bei Röntgenmessungen unter extrem hohem Druck haben Wissenschaftler die Entstehung von zuvor unbekanntem Iridiumhydrid beobachtet, einer Verbindung des Metalls Iridium mit dem Element Wasserstoff. Beide verbinden sich bei einem Druck von mindestens 55 Gigapascal, das entspricht dem 550.000-Fachen des mittleren atmosphärischen Luftdrucks. Das neuartige Material kann bis zu dreimal soviel Wasserstoff speichern wie andere Metallhydride, was etwa für die Entwicklung von Brennstoffzellen mit hoher Kapazität interessant sein könnte. Die Studie des internationalen Forscherteams um Thomas Scheler von der Universität Edinburgh ist im Fachblatt „Physical Review Letters“ erschienen.

In der Mitte einer kreisförmigen Blase befindet sich eine dunkle Region aus Iridiumhydrid, die mit hellen Flecken aus Wasserstoff durchsetzt ist.
Iridiumhydrid

An der Röntgenlichtquelle PETRA III des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) platzierten die Wissenschaftler ein Stückchen Iridium in einer sogenannten Diamantenstempelzelle, mit der sich extrem hohe Drücke erzeugen lassen. Anschließend füllten sie die Zelle mit Wasserstoff und setzten das Metall einem hohen Druck von bis zu 125 Gigapascal aus. Mit PETRAs intensiven, stark gebündelten Röntgenstrahlen durchleuchteten die Forscher die Probe und heizten sie zusätzlich mit Infrarotlasern auf. Bei der Auswertung ihrer Messungen stellten sie fest, dass Iridiumhydrid eine unerwartete Kristallstruktur besitzt, die bei keinem anderen bekannten Metallhydrid auftritt.

Links die gemessene Kristallstruktur von Iridiumhydrid: Die Iridiumatome besetzen die Ecken eines Würfels, während sich die Wasserstoffatome im Zentrum der Würfelflächen befinden. Rechts die Darstellung eines verzerrten Würfelgitters.
Kristallstruktur aus Röntgendaten

„Unsere Röntgendaten legen nahe, dass die Iridiumatome die Eckplätze eines Würfels besetzen, während der Wasserstoff sich im Zentrum jeder Würfelseite dieses einfachen Würfelgitters befindet“, sagt Thomas Scheler. In der Folge ist jedes Iridiumatom von jeweils zwölf Wasserstoffatomen umgeben – eine Struktur, die bis zu dreimal mehr Wasserstoff aufnehmen kann als die meisten anderen Metallhydride. Dort sind die Wasserstoffatome normalerweise nicht Bestandteil des Kristallgitters; stattdessen weitet sich die innere Struktur des Metalls, um die Wasserstoffatome zwischen den Metallatomen aufnehmen zu können.

Chemische Verbindungen von Metallen und Wasserstoff werden Metallhydride genannt und sind vielversprechende Kandidaten für industrielle Wasserstoffspeicher. Wird der Wasserstoff aus dem Hydrid gelöst, steht er beispielsweise zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen zur Verfügung – etwa, um Autos anzutreiben oder Häuser dezentral mit Energie zu versorgen. Eine andere wichtige Anwendung finden viele Metallhydride als Supraleiter. Zwar ist Iridium selbst selten und zu teuer für Routineanwendungen im industriellen Maßstab, doch die Herstellung und Untersuchung von Iridiumhydrid könnte die Suche nach anderen Metallhydriden mit hoher Wasserstoffkapazität vorantreiben. Im nächsten Schritt sollen Folgestudien die mechanischen und elektronischen Eigenschaften von Iridiumhydrid bestimmen.