Suprapartikelsystem als Sensor

Wasserstoff mit Farbindikator sichtbar machen

Wasserstoffgas für das bloße Auge sichtbar machen, um Gefahren durch Brände und Explosionen zu verhindern: Dieser Idee gingen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Departments Chemie und Pharmazie und des Lehrstuhls für Thermische Verfahrenstechnik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) nach. Das Ergebnis ihrer Forschung sind sog. Suprapartikel, die ihre Farbe verändern, sobald sich Wasserstoffgas in ihrer Umgebung befindet.

Mit erneuerbarer Energie hergestellter, sog. grüner Wasserstoff soll in Zukunft zum Schlüsselbaustein für eine nachhaltige und klimafreundliche Energiewirtschaft werden. Wasserstoffgas kann man weder riechen noch sehen, an der Luft ist es jedoch leicht entzündlich und hochexplosiv. Um die Sicherheit im Umgang mit Wasserstoff zu erhöhen, haben die Forschenden der FAU, ausgehend von einem Konzept, das am Fraunhofer Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg entwickelt wurde, die grundsätzlichen Funktionsmechanismen für einen neuartigen Wasserstoffsensor erforscht. Beteiligt waren die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Karl Mandel, Professur für Anorganische Chemie, Prof. Dr. Jörg Libuda und Dr. Tanja Bauer, Lehrstuhl für Katalytische Grenzflächenforschung, Prof. Dr. Dirk Zahn, Professur für Theoretische Chemie, Prof. Dr. Matthias Thommes, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, und Prof. Dr. Andreas Görling, Lehrstuhl für Theoretische Chemie.

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Wasserstoffsensoren sollen dazu dienen, bereits geringe Konzentrationen des Gases, zum Beispiel bei einem Leck in der Leitung, zu erkennen. Der neuartige Wasserstoffsensor aus winzigen Partikeln, sog. Suprapartikeln, macht Wasserstoffgas für das bloße Auge sichtbar. Die Suprapartikel haben eine Größe zwischen einem und zehn Mikrometern und bestehen unter anderem aus dem violetten Indikatorfarbstoff Resazurin. In Kontakt mit Wasserstoff reagieren die Farbstoffmoleküle und verfärben sich für das Auge sichtbar in zwei Stufen. Der erste Farbumschlag läuft irreversibel ab und die zweite Farbumschlagsreaktion reversibel. Verfärbt sich der Sensor pink, ist einmalig Wasserstoff ausgetreten. Tritt gerade noch Wasserstoff aus, ist der Sensor also in dem Moment viel Wasserstoff ausgesetzt, wird er farblos. Lecks sind auf Grund der sofortigen Reaktion so in Echtzeit sicht- und auffindbar. Ein weiterer Vorteil des neuartigen Wasserstoffsensors ist seine geringe Größe, so könnte er in vielen Bereichen eingesetzt werden, zum Beispiel für die Beschichtung von Leitungen.

Der poröse Suprapartikel, der aus Silica- und Gold-Palladium-Nanopartikeln sowie dem Indikatorfarbstoff Resazurin besteht, kann aus feuchter Luft Wasser absorbieren. Damit wird ein Drei-Phasen-System erzeugt, in dem sich die Farbstoffmoleküle frei bewegen können. In Anwesenheit von Wasserstoff zeigen die Partikel eine zweistufige Farbumschlagsreaktion. © AK Mandel / FAU

„Das gewonnene mechanistische Verständnis über das neue Partikelsystem wird es uns ermöglichen, die Superpartikel weiter zu optimieren, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, reale Anwendung zu finden und damit einen Beitrag zu einer sicheren Wasserstoffwirtschaft zu leisten“, erklären die Wissenschaftler.

Originalpublikation:
Jakob Reichstein et al: Supraparticles for Bare-Eye H2 Indication and Monitoring: Design, Working Principle, and Molecular Mobility; 2022 in: Advanced Functional Materials; https://doi.org/10.1002/adfm.202112379

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

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