Oxidation-resilient structural modifications in Nickel-functionalized 3D-graphene for hydrogen storage applications

Die Welt sucht nach einem Weg, Wasserstoff zu speichern – einem sauberen Brennstoff, der ohne die Produktion von Kohlendioxid verbrennt. Während Wasserstoff großes Versprechen für den Antrieb von Autos und der Industrie birgt, stellt das sichere und dichte Lagern des Gases eine große Hürde dar. Traditionelle Methoden sehen vor, das Gas in schwere Tanks zu pressen oder es zu einer Flüssigkeit einzufrieren, was beides energieintensiv ist und Sicherheitsrisiken birgt. Wissenschaftler suchen verstärkt nach festen Materialien, die wie Schwämme wirken können, indem sie Wasserstoffatome aufsaugen und sie fest halten, bis sie benötigt werden. Unter diesen Materialien war Graphen – eine einzige Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem Honigwabenmuster angeordnet sind – lange Zeit ein Favorit, da es über eine immense Oberfläche verfügt. Da flache Graphenschichten jedoch dazu neigen, zu verklumpen, verlieren sie ihre Fähigkeit, Gas zu absorbieren. Um dies zu lösen, haben Forscher dreidimensionale Versionen dieses Materials entwickelt, die ein poröses, schwammartiges Netzwerk schaffen, welches die Oberfläche hoch und zugänglich hält. Die Herausforderung besteht nun darin, diese Schwämme noch besser darin zu machen, Wasserstoff zu greifen, und sicherzustellen, dass sie in der realen Welt bestehen können, in der Luft und Sauerstoff allgegenwärtig sind.

Ein Team von Forschern in Italien und Österreich hat einen bedeutenden Schritt nach vorn gemacht, indem sie untersuchten, wie das Hinzufügen winziger Nickelpartikel zu diesem 3D-Graphen-Schwamm die Fähigkeit des Materials beeinflusst, Wasserstoff zu speichern und Schäden durch Sauerstoff zu widerstehen. Sie begannen mit einem porösen Siliziumkarbid-Gerüst, einem stabilen Rahmen, den sie durch Erhitzen auf extreme Temperaturen in eine 3D-Graphenstruktur verwandelten. Anschließend tauchten sie diese Struktur in eine Flüssigkeit mit Nickel-Nanopartikeln, sodass sich die Metallpartikelchen auf der Oberfläche absetzten. Das Ziel war zu sehen, ob diese Nickelpartikel als Katalysatoren wirken und dem Graphen helfen könnten, Wasserstoff leichter zu greifen, und um zu verstehen, was passiert, wenn das Material der Luft ausgesetzt wird.

Die Forscher untersuchten das Material zunächst unter leistungsstarken Mikroskopen, um zu sehen, wie das Nickel vor und nach der Erhitzung aussah. Vor der Wärmebehandlung erschien das Nickel als deutlich erkennbare, winzige Punkte, die über die Graphenoberfläche verstreut waren. Als sie die Probe jedoch auf 900 Grad Celsius erhitzten, geschah etwas Interessantes: Die einzelnen Punkte schienen zu verschwinden. Anstatt zu verschwinden, verteilte sich das Nickel über ausgedehnte Oberflächenbereiche und war nicht mehr als einzelne Einheiten unterscheidbar. Diese Veränderung deutet darauf hin, dass das Nickel nicht nur obenauf saß, sondern wahrscheinlich unter die Graphenschichten gleitete, ein Prozess, der als Interkalation bekannt ist. Um zu bestätigen, was chemisch geschah, verwendeten sie eine Technik, die die Energie der Elektronen misst, die von der Oberfläche kommen. Diese Analyse zeigte, dass das Nickel mit steigender Temperatur metallischer wurde und weniger von den Chemikalien bedeckt war, die ursprünglich zur Herstellung der Partikel verwendet wurden. Entscheidend war, dass die Daten anzeigten, dass das Nickel unter das Graphen wanderte, was ein Schlüsselfaktor für das spätere Verhalten des Materials ist.

Als das Team testete, wie viel Wasserstoff das Material halten konnte, stellten sie fest, dass die Wärmebehandlung einen riesigen Unterschied machte. Proben, die auf 900 Grad Celsius erhitzt wurden, absorbierten und gaben signifikant mehr Wasserstoff ab als solche, die bei niedrigeren Temperaturen erhitzt worden waren. Dies lag daran, dass die hohe Hitze Oberflächenverunreinigungen entfernte und mehr aktive Stellen schuf, an denen der Wasserstoff anhaften konnte. Doch der wahre Test kam, als sie Sauerstoff einführten. In der realen Welt enthält Wasserstoffkraftstoff oft kleine Mengen an Sauerstoff, der Speicherwerkstoffe vergiften und deren Funktion stoppen kann. Als die Forscher ihre mit Nickel behandelten Proben zwei Tage lang der Luft aussetzten, sank die Fähigkeit des Materials, Wasserstoff zu speichern, drastisch. Die Hochtemperatur-Speicherstellen, die zuvor so effektiv gewesen waren, wurden fast vollständig durch den Sauerstoff blockiert, insbesondere bei der Einwirkung von molekularem Wasserstoff.

Die Geschichte endete jedoch nicht mit einem Scheitern. Die Forscher fanden heraus, dass der Schaden nicht permanent war. Als sie die sauerstoffexponierten Proben erneut auf 900 Grad Celsius erhitzten und dann atomarem Wasserstoff aussetzten, stellte das Material seine Fähigkeit zur Wasserstoffspeicherung wieder her. Die Hochtemperatur-Speicherstellen kehrten zurück, was bewies, dass der Prozess reversibel ist. Überraschenderweise blieb eine spezifische Art von Speicherstelle während des gesamten Prozesses stark. Diese Stelle, die bei einer moderaten Temperatur arbeitet, verlor ihre Fähigkeit, Wasserstoff zu halten, selbst nach der Sauerstoffexposition nicht. Tatsächlich wurde diese moderate Temperaturspeicherung nach mehrmaligem Erhitzen und Abkühlen sogar stärker und hielt etwa 85 Prozent mehr Wasserstoff als zuvor. Die Forscher glauben, dass dies daran liegt, dass das Nickel, das unter das Graphen geglitten war, geschützte Kanten schuf, an denen sich der Wasserstoff verstecken konnte, sicher vor dem Sauerstoff, der die Oberfläche blockierte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Sauerstoff zwar die Leistung dieser fortschrittlichen Wasserstoffschwämme vorübergehend behindern kann, der Schaden jedoch nicht dauerhaft ist. Durch den Einsatz hoher Hitze, um die Oberfläche zu reinigen, und durch das Vertrauen auf das Nickel, das sich unter das Graphen bewegt hat, kann das Material regeneriert und sogar verbessert werden. Das mit Nickel funktionalisierte 3D-Graphen zeigt eine bemerkenswerte Resilienz und behält seine Fähigkeit zur Wasserstoffspeicherung selbst nach wiederholten Zyklen der Luftexposition und Regeneration bei. Dies deutet darauf hin, dass solche Materialien lebensfähige Kandidaten für reale Wasserstoffspeichersysteme sein könnten, sofern sie mit den richtigen Heizzyklen verwaltet werden, um sie sauber und aktiv zu halten. Die Arbeit hebt hervor, dass die Wechselwirkung zwischen dem Metall und der Kohlenstoffstruktur komplex und dynamisch ist und einen Weg zu stabileren und effizienteren Energiespeicherlösungen bietet.