An die Wasserstoff-Technologie knüpfen Forscher viele Hoffnungen. In Form von Wasserstoff kann Energie über einen längeren Zeitraum effektiv gespeichert und transportiert werden. Als Treibstoff in Brennstoffzellen könnte er zum Beispiel Autos antreiben oder Strom für einen Laptop produzieren. Doch Wasserstoff ist ein sehr explosives Gas und lässt sich nur bei hohem Druck oder sehr niedrigen Temperaturen in reiner Form speichern. Seit Jahren tüfteln Forscher deshalb an der optimalen Technik herum und suchen noch immer nach Materialien, die Wasserstoff sicher, billig und effektiv speichern können. Bengt Kasemo von der Göteborger Chalmers-Universität hat nun ein Verfahren entwickelt, das diese Suche enorm beschleunigen könnte.
"Wir haben eine Methode entwickelt, mit der man allein mit Hilfe von Licht testen kann, wie gut verschiedene Materialien Wasserstoff speichern können. Es gibt viele Verbindungen, die als Speichermaterialien infrage kommen. Doch es ist schwer zu messen, wie schnell sie Wasserstoff aufnehmen können und wie schnell sie ihn wieder abgeben können. Beides ist aber wichtig, wenn Wasserstoff als Energiespeicher eingesetzt werden soll."
Die Forscher nutzen für ihre auch als "plasmonic sensing" bezeichnete Technik Goldnanoteilchen, die sie auf eine gewöhnliche Glasplatte aufbringen. Die Oberfläche der Glasplatte und der Goldpartikel bedecken sie mit einer nur wenige Nanometer dünnen "Schutzschicht". Auf diese Fläche tragen die Forscher anschließend ihr Untersuchungsmaterial auf. Bestrahlen die Forscher nun die Goldnanopartikel mit Licht, verändert sich dessen Farbe. Wie stark sie sich ändert, hängt dann zum Beispiel davon ab, wie viele Wasserstoffatome das getestete Material bindet. Deshalb können die Forscher an der Farbveränderung ablesen, wie gut sich eine Verbindung als Wasserstoffspeicher eignet. Kasemo:
"Mit der Methode lässt sich auch bestimmen, wie schnell ein Material Wasserstoff bindet. Das können wir an der Geschwindigkeit der Farbveränderung des Lichts ablesen. Wie schnell der Wasserstoff sich wieder aus dem Material löst können wir ebenfalls ablesen. Dazu entfernen wir den ungebundenen Wasserstoff und messen dann die Zeit, bis das Licht seine ursprüngliche Farbe wieder erreicht hat."
Die Forscher könnten mit dieser Methode im Schnelldurchlauf Materialien testen, die sich möglicherweise als Wasserstoff-Speicher eignen. Die interessanten Kandidaten könnten sie dann weiterentwickeln. In einer anderen Anwendung können die goldbestückten Nanosensoren auch dabei helfen, die Effektivität von Katalysatoren zu prüfen und zu verbessern.
"Wir können mithilfe unserer Technik genau beobachten, welche Reaktionen in unterschiedlichen Katalysator-Typen ablaufen. Dazu bestücken wir unseren Sensor mit Verbindungen, die als Katalysatoren infrage kommen und setzen sie in einer kleinen Reaktionskammer Auto- Abgasen aus. So können wir in Echtzeit beobachten, wie viele Abgas-Moleküle unterschiedliche Katalysator-Typen in welcher Zeit binden und miteinander zu unschädlichen Verbindungen reagieren lassen können."
Die starke Wechselwirkung von Licht mit Goldnanoteilchen wollen Bengt Kasemo und seine Kollegen in Zukunft auch dazu nutzen, Solarzellen effektiver zu machen. Die Goldnanopartikel könnten dabei helfen, Photonen effektiver einzufangen und die Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom umzusetzen. Doch um eine solche Technik in großem Maßstab einsetzen zu können, müsste zunächst das Gold durch andere Materialien ersetzt werden. Es ist schlichtweg zu teuer. Erste Versuche mit billigerem Aluminium waren aber schon viel versprechend.
"Wir haben eine Methode entwickelt, mit der man allein mit Hilfe von Licht testen kann, wie gut verschiedene Materialien Wasserstoff speichern können. Es gibt viele Verbindungen, die als Speichermaterialien infrage kommen. Doch es ist schwer zu messen, wie schnell sie Wasserstoff aufnehmen können und wie schnell sie ihn wieder abgeben können. Beides ist aber wichtig, wenn Wasserstoff als Energiespeicher eingesetzt werden soll."
Die Forscher nutzen für ihre auch als "plasmonic sensing" bezeichnete Technik Goldnanoteilchen, die sie auf eine gewöhnliche Glasplatte aufbringen. Die Oberfläche der Glasplatte und der Goldpartikel bedecken sie mit einer nur wenige Nanometer dünnen "Schutzschicht". Auf diese Fläche tragen die Forscher anschließend ihr Untersuchungsmaterial auf. Bestrahlen die Forscher nun die Goldnanopartikel mit Licht, verändert sich dessen Farbe. Wie stark sie sich ändert, hängt dann zum Beispiel davon ab, wie viele Wasserstoffatome das getestete Material bindet. Deshalb können die Forscher an der Farbveränderung ablesen, wie gut sich eine Verbindung als Wasserstoffspeicher eignet. Kasemo:
"Mit der Methode lässt sich auch bestimmen, wie schnell ein Material Wasserstoff bindet. Das können wir an der Geschwindigkeit der Farbveränderung des Lichts ablesen. Wie schnell der Wasserstoff sich wieder aus dem Material löst können wir ebenfalls ablesen. Dazu entfernen wir den ungebundenen Wasserstoff und messen dann die Zeit, bis das Licht seine ursprüngliche Farbe wieder erreicht hat."
Die Forscher könnten mit dieser Methode im Schnelldurchlauf Materialien testen, die sich möglicherweise als Wasserstoff-Speicher eignen. Die interessanten Kandidaten könnten sie dann weiterentwickeln. In einer anderen Anwendung können die goldbestückten Nanosensoren auch dabei helfen, die Effektivität von Katalysatoren zu prüfen und zu verbessern.
"Wir können mithilfe unserer Technik genau beobachten, welche Reaktionen in unterschiedlichen Katalysator-Typen ablaufen. Dazu bestücken wir unseren Sensor mit Verbindungen, die als Katalysatoren infrage kommen und setzen sie in einer kleinen Reaktionskammer Auto- Abgasen aus. So können wir in Echtzeit beobachten, wie viele Abgas-Moleküle unterschiedliche Katalysator-Typen in welcher Zeit binden und miteinander zu unschädlichen Verbindungen reagieren lassen können."
Die starke Wechselwirkung von Licht mit Goldnanoteilchen wollen Bengt Kasemo und seine Kollegen in Zukunft auch dazu nutzen, Solarzellen effektiver zu machen. Die Goldnanopartikel könnten dabei helfen, Photonen effektiver einzufangen und die Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom umzusetzen. Doch um eine solche Technik in großem Maßstab einsetzen zu können, müsste zunächst das Gold durch andere Materialien ersetzt werden. Es ist schlichtweg zu teuer. Erste Versuche mit billigerem Aluminium waren aber schon viel versprechend.