MXene: Vielversprechende Kandidaten für die Wasserstoffspeicherung

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft – klimafreundlich erzeugt durch Elektrolyse mit grünem Strom. Die Herausforderung liegt jedoch in der effizienten und sicheren Speicherung. Hier kommen MXene ins Spiel: Verbindungen aus Metall und Stickstoff oder Kohlenstoff, die eine zweidimensionale, hexagonale Gitterstruktur besitzen. Diese Struktur verleiht ihnen besondere physikalische und chemische Eigenschaften – unter anderem die Fähigkeit, Atome und Moleküle wie Wasserstoff sowohl innerhalb als auch zwischen den Schichten einzulagern.

„Wir wissen aber, dass Wasserstoffatome und sogar Moleküle komplexe Bindungen in MXene und an dessen Oberflächen bilden“, erklärt Prof. Dr. Norbert Nickel, Physiker am HZB. Für eine praktische Nutzung als Speicher sei entscheidend, dass der eingelagerte Wasserstoff bei Bedarf auch wieder freigesetzt werden kann.

Quantentheoretische Einsichten in die Wasserstoffbindung

Bereits 2024 hatte Nickel mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht, wie Wasserstofforbitale mit den Titan- und Kohlenstoff-Orbitalen in Ti_₃C_₂-MXenen wechselwirken. Die Ergebnisse dieser quantenmechanischen Modellierungen wurden in den Annalen der Physik (536, 2400011 (2024)) veröffentlicht. Sie liefern Informationen über die Art der chemischen Bindung des Wasserstoffs und den Einfluss der Temperatur auf die Diffusion.

Dabei zeigte sich, dass die Bindungseigenschaften von Wasserstoff nicht durch ein einfaches chemisches Bindungsmodell erklärbar sind. In einer weiterführenden Arbeit im Jahr 2025 hat Nickel die chemischen Orbitale weiter analysiert. Seine Berechnungen ergaben, dass interstitielle Wasserstoffatome und Moleküle s-artige Bindungen mit benachbarten Titanatomen und s-p-Hybridorbitale mit benachbarten Kohlenstoffatomen eingehen.

Diffusion über Zwischengitterplätze – nicht über Leerstellen

Für die Wasserstoffspeicherung spielt die Beweglichkeit der Atome eine wichtige Rolle. Denn nur wenn sich Wasserstoff effizient durch das Material bewegen und bei Bedarf wieder austreten kann, ist eine praktische Anwendung denkbar. In Festkörpern erfolgt die Diffusion typischerweise über Leerstellen oder Zwischengitterplätze.

„Die Modellierung zeigt, dass der Transport von Wasserstoff in Ti_₃C_₂ über Zwischengitterplätze erfolgt und die Diffusion über Leerstellen keine Rolle spielt“, fasst Nickel das zentrale Ergebnis zusammen. Dieser Mechanismus erlaubt eine hohe Beweglichkeit der Wasserstoffatome und -moleküle mit einem Diffusionskoeffizienten von 2,4 × 10^⁻⁵ cm^²/s bei einer moderaten Temperatur von 500 K.

Wegweiser für künftige Experimente

Die detaillierte Analyse der orbitalen Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und Ti_₃C_₂ ermöglicht es nun erstmals, im Vorfeld geeignete Parameterbereiche für experimentelle Untersuchungen einzugrenzen. Damit lässt sich gezielt vorhersagen, bei welchen Bedingungen etwa spektroskopische Messungen – beispielsweise an der Synchrotronquelle BESSY II – besonders aussagekräftige Ergebnisse liefern könnten.

Mit seinen quantenmechanischen Modellierungen schafft Nickel somit eine wichtige theoretische Basis für die weitere Erforschung von MXenen als potenzielle Wasserstoffspeicher – und leistet damit einen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Energiespeicherlösungen.

Originalpublikationen:
Nickel, N. H. (2025). Hydrogen diffusion in Ti₃C₂ MXenes. Nano Letters, 25(8). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c05749

Nickel, N. H. (2024). Hybrid orbital formation and multicenter bonding of hydrogen atoms and molecules in MXenes. Annalen der Physik. Advance online publication. DOI:10.1002/andp.202400011

Quelle: Helmholtz Zentrum Berlin (HZB)