Manchmal können sich Lösungen für schwierige Probleme als ziemlich einfach herausstellen. Das gilt besonders für ein Forscherteam am Brookhaven National Laboratory, wo sich die Lösung für ein schwieriges Problem nicht nur als ziemlich einfach, sondern auch als etwas sauer herausstellte.
Das schwierige Problem, an dem sie arbeiteten, war die Speicherung von Wasserstoff. Wasserstoffgas (H2) ist ein sauberer und leistungsfähiger Brennstoff, aber er ist auch extrem leicht, was seine Lagerung schwierig und kostspielig macht. Normalerweise wird er in Hochdrucktanks aufbewahrt, obwohl Forscher eines anderen Labors vor kurzem eine Möglichkeit gefunden haben, ihn in natürlich geformten gefrorenen Käfigen aufzubewahren.
In einem am 18. März in Nature Chemistry veröffentlichten Artikel geben Forscher aus Brookhaven unter der Leitung der Chemikerin Etsuko Fujita bekannt, dass sie einen sicheren und reversiblen Weg gefunden haben, Wasserstoff unter milden (und daher hoffentlich viel wirtschaftlicheren) Bedingungen zu speichern, indem sie einen neu entwickelten Katalysator verwenden.
Ihre Arbeit begann damit, dass sie Säuren und Basen auf eine unkonventionelle Weise betrachteten – als potenzielle Träger von Wasserstoffbrennstoff. Schüler lernen Säuren und Basen oft im Rahmen ihrer Forschungsprojekte kennen. Die „vulkanische“ Reaktion von Essig (einer milden Säure) und Backpulver (einer milden Base) hat bei vielen Schülern ein frühes Interesse an den Naturwissenschaften geweckt. Das gilt auch für Jonathan Hull, den leitenden Forscher der Studie, der fasziniert war, als er sah, wie eine ähnliche Reaktion die Korken von Weinflaschen sprengte.
Allerdings sind viele Säuren und Basen eigentlich wässrige Lösungen, die mit Wasserstoff gefüllt sind. In einer sauren Lösung laufen die Wasserstoffatome frei herum. In der Regel fehlt ihnen auch ein Elektron, was ihnen eine positive Ladung verleiht (Atome und Moleküle mit einer positiven oder negativen Ladung nennt man Ionen). In einer basischen Lösung sind die Wasserstoffatome normalerweise mit etwas anderem verbunden, einer Art negativem Ion. Und ja, wenn eine Säure und eine Base miteinander reagieren, entsteht in der Regel etwas Neutrales wie Wasser.
Der von Forschern am Brookhaven Lab entwickelte Katalysator verbindet Wasserstoffgas und Kohlendioxid und „speichert“ den Wasserstoff an Kohlendioxid gebunden in einer schwach basischen Lösung (adduziert). Durch Zugabe von etwas Säure kann die Reaktion umgekehrt und der Wasserstoff freigesetzt werden. Der gesamte Prozess kann in einer wässrigen Lösung bei milden Temperaturen und Drücken ohne giftige Nebenprodukte und mit einer schnelleren Geschwindigkeit als bei allen bisherigen Katalysatoren ablaufen und leicht umgekehrt werden.
Der neue Katalysator des Brookhaven Labs könnte daher in künftigen Wasserstofffahrzeugen verwendet werden, obwohl weitere Tests erforderlich sind, um festzustellen, ob er wirtschaftlich für die industrielle Produktion eingesetzt werden kann. Er könnte auch in anderen Hochleistungssystemen zum Einsatz kommen – die Zeit und die Technologie werden es zeigen.
Dieser neue Katalysator zeigt das Beste, was die National Labs zu bieten haben: Forscher, die sich wirklich schwierigen Problemen stellen und grundlegende (und manchmal leicht saure) Lösungen finden.