Potenziale besser nutzen – Filter für schweren Wasserstoff entwickelt

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Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Kupfer statt Zink, und der Filter lässt sich mit flüssigem Stickstoff kühlen

Die Augsburger Chemiker ersetzten einen Teil der Zink- daher durch Kupferatome, deren Elektronenhülle so gebaut ist, dass das Material bei höheren Temperaturen und selektiver Deuterium filtert. Das bestätigten Michael Hirscher und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und die Forscher am Oak Ridge National Laboratory in verschiedenen Tests. Unter anderem prüften sie bei verschiedenen Temperaturen, in welchen Mengen das Material Deuterium und normalen Wasserstoff aus einem Gemisch mit gleichen Anteilen der beiden Isotope aufnimmt. Demnach speichert es bei minus 173 Grad Celsius zwölf Mal mehr Deuterium. „Bei dieser Temperatur lässt sich der Trennprozess mit flüssigem Stickstoff kühlen und wird dadurch kostengünstiger als die Verfahren, die nur bei weniger als minus 200 Grad funktionieren“, sagt Michael Hirscher.

Bei der Interpretation der verschiedenen Messergebnisse halfen die Beiträge der theoretischen Chemiker um Thomas Heine, der vor kurzem einen Lehrstuhl an der Universität Leipzig übernommen hat, nachdem er vorher an der Jacobs University Bremen gelehrt hatte. „Mit unseren Berechnungen konnten wir die verschiedenen experimentellen Puzzleteile zu einem konsistenten Gesamtbild zusammenführen“, sagt der Wissenschaftler.

Die Metall-organische Gerüstverbindung muss noch mehr Gas aufnehmen

Wie die Analyse der Daten für Deuterium und Wasserstoff ergab, stimmten die Experimente und die Vorhersagen der Rechnungen sehr gut überein. Das macht die Theoretiker zuversichtlich, dass der Teil ihrer Rechnungen, die sich nicht einfach experimentell überprüfen lassen, genauso aussagekräftig sind. „Dann stimmen wahrscheinlich auch unsere Berechnungen für Tritium, was sich in Experimenten aber nur unter großen Sicherheitsvorkehrungen überprüfen lässt“, sagt Thomas Heine.

Auch das radioaktive Wasserstoff-Isotop filtert das Material demnach sehr effektiv aus einem Gemisch der Isotope. Das dürfte auch für eine Anwendung interessant sein, bei der es nicht darum geht das Isotop zu gewinnen, sondern loszuwerden. Denn Wasser aus Kernkraftwerken, auch das, mit dem die Reaktoren von Fukushima bei der Katastrophe im Jahr 2011 geflutet wurden, enthält Tritium. Mit der neuen Metall-organischen Gerüstverbindung ergibt sich vielleicht eine Möglichkeit, diese radioaktiven Altlasten zu beseitigen. Allerdings müsste das radioaktiv verseuchte Wasser dafür zunächst elektrolysiert werden, um die tritiumhaltigen Wassermoleküle in tritiumhaltiges Wasserstoffgas umzuwandeln. Bevor Tritium und Deuterium mit großporigen Kristallen jedoch in der Praxis aus dem Isotopengemisch des Wasserstoffs gefiltert werden kann, müssen die Wissenschaftler es allerdings noch weiterentwickeln – nicht zuletzt, damit es noch mehr Gas aufnimmt.

Originalpublikation: I. Weinrauch, I. Savchenko, D. Denysenko, S.M. Souliou, H.-H. Kim, M. Le Tacon, L.L. Daemen, Y. Cheng, A. Mavrandonakis, A.J. Ramirez-Cuesta, D. Volkmer, G. Schütz, M. Hirscher & T. Heine: Capture of heavy hydrogen isotopes in a metal-organic framework with active Cu(I) sites. Nature Communications, 28 February 2017; DOI: 10.1038/ncomms14496

* P. Hergersberg: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 80539 München

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