Wasserstoff färbt rot

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Ein Deutsch-Niederländisches Forscherteam hat eine Reihe an Verbindungen hergestellt, die unter UV-Licht leuchten. Dabei zeigte sich: Je mehr Wasserstoff in der Verbindung vorkommt, desto rötlicher – also energieärmer – ist das emittierte Licht. Die Verbindungen könnten in neuen Leuchtmitteln für LEDs oder als Wasserstoffspeicher zum Einsatz kommen.

Dr. Markus Hölzel am Strukturpulverdiffraktometer SPODI. © Bernhard Ludewig
Fotografische Aufnahmen der Mischkristallreihe unter Tageslicht (oben) und die entsprechende Emission unter 376 nm UV-Bestrahlung (unten). © Alexander Mutschke

 

An sich ist die Synthese von Hydriden, in denen Wasserstoff als negativ geladenes Anion vorkommt, gar nicht so schwer. Die Forscherinnen und Forscher mischen Alkalimetall- und Erdalkalimetallfluoride mit der richtigen Menge Europium. In einer Wasserstoffatmosphäre reagiert Wasserstoff mit den Fluoriden dann bei bis zu zweihundert Bar Druck und mehreren hundert Grad Celsius, wobei die Produkte mit der allgemeinen Formel MCaHxF3−x (M = Rb, Cs) entstehen.

Aber es gibt einen entscheidenden Haken: „Die Verbindungen zersetzen sich im Kontakt mit Sauerstoff oder auch Feuchtigkeit aus der Luft. Darum werden alle beteiligten Reagenzien zuvor in Vakuumöfen gut getrocknet. Außerdem muss unter Argon als Schutzgas in einer Glove-Box gearbeitet werden.“, so Dr. habil. Nathalie Kunkel, Gastwissenschaftlerin am Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien bei Prof. Dr. Thomas Fässler an der Technischen Universität München.

Warum leuchten die Verbindungen rot?

Eine Verbindung kann Lumineszenz zeigen, wenn Elektronen durch Energiezufuhr (z.B. in Form von UV-Licht) angeregt werden. Verlassen sie diesen angeregten Zustand, wird die Energie wieder abgegeben. Bei den erforschten Hydriden geschieht das in Form von für uns sichtbarem, rotverschobenem Licht.

Durch gezielte Synthese wird Europium oktaedrisch von Fluorid- und Hydrid umgeben, wobei sich der jeweilige Gehalt einstellen lässt. Fluor und Wasserstoff unterscheiden sich sehr stark in ihrer Elektronegativität – also dem Maß dafür, wie sehr sie Elektronen anziehen. In jeder der hergestellten Verbindungen ist Europium von einer unterschiedlichen Anzahl an Wasserstoffatomen umgeben. Die unterschiedliche Elektronegativität und Polarisierbarkeit beeinflusst die Elektronen des Europiums in jeder Verbindung entsprechend. Der angeregte Zustand ist für eine Wasserstoff-reichere Umgebung mit weniger Energie zu erreichen, daher wird auch weniger Energie beim Zurückfallen in den Grundzustand frei und das emittierte Licht ist energieärmer. Dabei zeigte sich folglich: Je mehr Fluor durch Wasserstoff ersetzt wurde, desto rötlicher war die Lumineszenz der Verbindung.

Neutronen sehen den Wasserstoff

Um einen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Lichts und dem Wasserstoffgehalt herstellen zu können, muss die Menge an Wasserstoff in der Verbindung gemessen werden. Allgemein setzt man gerne Röntgenstrahlen zur Strukturaufklärung von Feststoffen ein, aber ausgerechnet Wasserstoff ist für Röntgenstrahlen quasi unsichtbar. Mit Neutronenstrahlung ist Wasserstoff jedoch gut sichtbar, weshalb diese Verbindungen von Dr. Markus Hölzel am SPODI, einem hochauflösenden Neutronenpulverdiffraktometer des MLZ gemessen wurden.

Einsatz im Design neuer Leuchtmittel

Für diese Verbindungsklasse eröffnen sich viele potenzielle Einsatzgebiete, die von der Wasserstofftechnologie bis in die Optik reichen. Um etwa Wasserstoff als Treibstoff für Fahrzeuge einzusetzen, ist es wichtig, auf möglichst wenig Raum viel Wasserstoff zu speichern. Da Feststoffe im Vergleich zu Gasen eine höhere Dichte aufweisen, ist es naheliegend zu versuchen, Wasserstoff als festes Hydrid chemisch zu binden und dadurch zu speichern.

Auch in der Optik gibt es mögliche Anwendungsfelder: Zum Beispiel sind für LEDs Leuchtmittel notwendig, die scharfe Emissionslinien aufweisen. Das Wissen, wie Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften hier zusammenspielen, könnte im Design neuer Leuchtmittel hilfreich sein.

 

Originalpublikation:

Alexander Mutschke, Thomas Wylezich, Atul D. Sontakke, Andries Meijerink, Markus Hoelzel, and Nathalie Kunkel. MCaHxF3−x (M = Rb, Cs): Synthesis, Structure, and Bright, Site-Sensitive Tunable Eu2+. Luminescence Adv. Optical Mater. 2002052 (2021), DOI: 10.1002/adom.202002052