Wichtiger Schlüsselbaustein für Sicherheit in grüner Wasserstoffwirtschaft entwickelt

Das poröse Suprapartikel, der aus Silica und Gold Palladium Nanopartikeln sowie dem Indikatorfarbstoff Resazurin besteht, ist in der Lage aus feuchter Luft Wasser zu 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, (ir)reversible Farbumschlagsreaktion, um Wasserstoff in Echtzeit sowie nach einer Exposition sichtbar zu machen. (Grafik: AK Mandel / FAU)

22. Februar 2022

Unsichtbares Wasserstoffgas für das bloße Auge sichtbar machen, um Gefahren durch Brände und Explosionen vorzubeugen. Diese Idee wurde in einer erfolgreichen Kooperation mehrerer Arbeitsgruppen des Departments Chemie und Pharmazie der Naturwissenschaftlichen Fakultät, sowie einer Arbeitsgruppe aus der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in die Tat umgesetzt. Das Ergebnis sind kleine Mikropartikel, sogenannte Suprapartikel, die ihre Farbe verändern, sobald sich Wasserstoffgas in ihrer Umgebung befindet.

Mit erneuerbarer Energie hergestellter, sogenannter grüner Wasserstoff soll in Zukunft zum Schlüsselbaustein für eine nachhaltigere und klimafreundlichere Energiewirtschaft werden. Für die Realisierung einer grünen Wasserstoffwirtschaft, stellt neben diversen weiteren Fragestellungen der Sicherheitsaspekt eine große Herausforderung dar. Wasserstoffgas, das als flexibler Energieträger nahezu überall eingesetzt werden soll, kann mit den menschlichen Sinnen nicht wahrgenommen werden, ist jedoch an Luft leicht entzündlich und explosiv. Historische Ereignisse wie die Explosion des Zeppelins „Hindenburg“ und kürzlich auch die Explosion einer Wasserstofftankstelle in der Nähe von Oslo (Norwegen) zeigen auf, wie wichtig entsprechende Sicherheitsvorkehrungen für die Realisierung einer nachhaltigeren und sicheren Wasserstoffwirtschaft sein werden.

Um die Sicherheit im Umgang mit Wasserstoff zu erhöhen, haben Forscherinnen und Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), ausgehend von einem Konzept, das am Fraunhofer Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg entwickelt wurde, die grundsätzlichen Funktionsmechanismen für einen neuartigen Wasserstoffsensor erforscht. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Wasserstoffsensoren können bereits geringe Konzentrationen des Gases, z.B. bei Leckagen einer Gasleitung, detektieren, um damit entsprechende Maßnahmen einzuleiten, noch bevor es zu verheerenden Unfällen kommen kann. Der neuartige Wasserstoffsensor der FAU-Forscherinnen und -Forschern besteht aus winzigen Partikeln, sogenannten Suprapartikeln, und macht unsichtbares Wasserstoffgas für das bloße Auge sichtbar – und das ohne Strom und komplexe Messgeräte.

In die erfolgreiche Kooperation zur Entwicklung der Sensorpartikel und der mechanistischen Aufklärung ihrer Farbumschlagsreaktion waren die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Karl Mandel, Prof. Dr. Jörg Libuda, Dr. Tanja Bauer, Prof. Dr. Dirk Zahn, Prof. Dr. Matthias Thommes und Prof. Dr. Andreas Görling involviert.

Die entwickelten Suprapartikel sind zwischen einem und zehn Mikrometern groß und werden über ein industriell etabliertes und skalierbares Sprühtrocknungsverfahren hergestellt. Die Partikel weisen eine definierte Porenstruktur auf und bestehen aus den drei Komponenten, Silica, einer sehr geringen Menge an Gold-Palladium Nanopartikeln, sowie dem Indikatorfarbstoff Resazurin. Die Kombination dieser funktionellen Bausteine und die poröse Struktur sind der entscheidende Schlüssel für die Sensorfunktionalität der Superpartikel. Die Porenstruktur ermöglicht es dem Partikel, Wasser in den Poren zu speichern und damit ein Drei-Phasen-System auszubilden. In diesem können sich die Farbstoffmoleküle bewegen. Damit wird eine Verbindung zu den katalytisch aktiven Au‑Pd Nanopartikeln geschaffen, sodass die Farbstoffmoleküle in Anwesenheit von Wasserstoff an den reaktiven Zentren (ir)reversibel reduziert werden. Makroskopisch zeigt sich diese Reaktion in einer zweistufigen Farbumschlagsreaktion der Partikel, die bereits mit dem bloßen Auge erkannt wird. Das anfangs violette Pulver verfärbt sich zunächst pink, bevor es bei weiterer Wasserstoffexposition farblos wird. Während der erste Farbumschlag irreversibel abläuft, d.h. bereits ein einmaliges Aufeinandertreffen mit Wasserstoff permanent aufzeichnet, ist die zweite Farbumschlagsreaktion reversibel und eignet sich dafür Wasserstoff in Echtzeit zu detektieren.

Ein entscheidender Vorteil des neuartigen Wasserstoffsensors ist seine geringe Größe, die eine Vielzahl an Applikationsmöglichkeiten, z.B. als Sicherheitsadditiv in Beschichtungen, ermöglicht. Zudem zeigt er schnelle Antwortzeiten und ist so in der Lage ohne Stromversorgung und komplexe Messtechnik eine Wasserstoffexposition aufzuzeichnen. Dies kann in Echtzeit mit bloßem Auge verfolgt werden, was insbesondere für eine schnelle Leck-Detektion mit anschließender Leck-Suche von Vorteil ist.

„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“, so die Erstautoren der Publikation Simon Schötz (AK Libuda) und Promotionsstipendiat der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) Jakob Reichstein (AK Mandel).

Die Optimierung des entwickelten Partikelsystems ist bereits in vollem Gange. Zusätzlich zu weiterer Grundlagenforschung an der FAU, vorangetrieben von den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Mandel und Prof. Dr. Libuda, wurde am Fraunhofer ISC in Würzburg in der Abteilung Partikeltechnologie, die Herr Mandel auch leitet, bereits mit der Weiterentwicklung und Skalierung der Wasserstoffsensor Partikel begonnen, um diese in realen Anwendungen zu testen.

„Meine Professur habe ich mit der Mission angetreten, einen Beitrag zur Nachhaltigkeit zu leisten, mit einer Anorganischen Chemie, die die Schnittstelle zwischen Molekular-und Materialchemie findet und dabei eine Brücke von den Grundlagen zur Anwendung in einem interdisziplinären Umfeld schlägt. Die jetzt veröffentlichte Aktivität ist in meinen Augen ein Musterbeispiel dafür, welches Potential ein derartiger Ansatz haben kann“, so Prof. Karl Mandel, Initiator der Aktivität.