De auto van de toekomst zou door een brandstofcel kunnen worden aangedreven en waterstof tanken. Maar in wat voor tank? Waterstof is niet alleen explosief maar heeft als gas ook een groot volume nodig. De opslag in de vorm van een vast metaalhydride met een hoge dichtheid is een veilig al-ternatief en brengt waterstof in een relatief beheersbaar volume. Omdat de tank echter niet te zwaar en niet te duur mag zijn, concentreren onderzoeken zich op hydriden met lichte, vaak voorkomende metalen als magnesium.
Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Universität Duisburg-Essen slaan een moleculaire weg in. Volgens de onderzoekers zouden extreem kleine partikels, de zogenaamde clusters, van moleculair magnesium als modelsubstantie, kunnen dienen om de processen bij waterstofopslag nauwkeurig te kunnen onderzoeken.
Magnesiumhydride
Magnesiumhydride (MgH2) kan waterstof naar behoefte vrijgeven. Het magnesiummetaal dat ontstaat, zou dan weer tot hydride kunnen reageren als waterstof bij de pomp in de tank wordt geperst.
Jammer genoeg is dat slechts een geïdealiseerde voorstelling. Niet alleen is de snelheid van het vrijkomen en de absorptie van waterstof traag (kine-tica), maar de tank werkt alleen bij hogere temperaturen (thermodyna-mica). De hydride, negatief geladen waterstofatomen (H–) zijn zo sterk gebonden aan het kristalrooster van de magnesiumkationen (Mg2+), dat het waterstofgas zich pas boven 300 °C kan vrijmaken.
Op grond van hun grote oppervlakte kunnen intensieve gemalen nano kristallijne materialen waterstof snel opnemen en afgeven. Maar de hoge stabiliteit van het magnesiumhydride maakt nog steeds hoge temperaturen voor vrijkomen noodzakelijk. Computerberekeningen leerden dat de minuscule partikels van enkele atomen (de zogenaamde clusters) het waterstof al ruim onder de 300 °C vrijgegeven.
Clusters met minder dan 20 Mg2+-ionen zijn kleiner dan een nanometer en gedragen zich anders dan de vaste stof. De hydride ionen hebben minder Mg2+-ionen dan de naaste buurman en zijn daarom zwakker gebonden. Het is echter moeilijk om zulke kleine clusters door malen te produceren.
Opbouwen in plaats van malen
De onderzoekers doen het omgekeerde. In plaats van grotere deeltjes te verkleinen, bouwen ze magnesiumhydride clusters op uit moleculen. Daarbij is het de uitdaging, om dergelijke clusters te beletten om verder te reageren in stabiele vaste stoffen. De onderzoekers lukte het met een speciaal ligandsystem, dat wil zeggen: moleculen die het cluster omsluiten.
Het cluster zelf bestaat uit acht Mg2+ en tien H– ionen en doet qua vorm denken aan een schoepenrad. Er kon worden aangetoond dat moleculaire clusters waterstof inderdaad al bij temperaturen rond de 200 °C vrijge-geven.
Dit tot dusver grootste magnesium hydridecluster is weliswaar praktisch niet bruikbaar als waterstofopslag, maar werpt een nieuw licht op deze actuele vraagstelling. Het cluster kan gemakkelijk met moleculaire methoden worden onderzocht en zal als systeemmodel een gedetailleerd inzicht kunnen geven in processen die zorgen voor de opslag van waterstof.
