Wasserstoff und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
Das Projekt HPAH (Hydrogen interaction with polycyclic aromatic hydrocarbons – from interstellar catalysis to hydrogen storage) hat die katalytische Aktivität von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen bei der Bildung von molekularem Wasserstoff unter interstellaren Bedingungen vorgeführt und untersucht. Innerhalb dieses Prozesses entwickelte das Team ein Verfahren zur Ausführung der Öffnung einer Bandlücke in Graphen durch Wasserstofffunktionalisierung. Verfahren der Oberflächenwissenschaften wurden mit theoretischen Berechnungen kombiniert, um zu einem Verständnis der Wechselwirkung zwischen atomarem Wasserstoff und PAK-Molekülen auf atomarer Ebene zu gelangen. Mittels temperaturprogrammierter Desorption (TPD, auch thermische Desorptionsspektroskopie; Thermal Desorption Spectroscopy, TDS) überwachte man im Zuge des Projekts, auf welche Weise H-Atome den PAK-Molekülen hinzugefügt werden, um superhydrierte PAK-Spezies zu bilden. Die Experimente ergaben, dass eine Langzeitbelichtung des Coronen-PAK-Moleküls mit einem Strahl aus atomarem Wasserstoff zu überraschend hohen Hydrierungswerten (Wasserstoffpassivierung) führt, welche sich der theoretischen Obergrenze für ein zusätzliches H-Atom pro Kohlenstoffatom annähern. Die Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit derart hohen Graden der Superhydrierung hat wichtige Folgen für die interstellare molekulare Wasserstoffbildung. Das heißt, die Berechnungen beweisen, dass die effiziente Bildung von Wasserstoffgas durch Kombination von Superhydrierung und Abstraktionsreaktionen vonstattengehen sollte, die neutrale polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und deren superhydrierte Formen umfasst. Durch Einsatz des Deuteriumisotops von Wasserstoffs war es möglich, den Austausch zwischen den ursprünglichen H-Atomen an dem PAK-Molekül und hinzukommenden D-Atomen aus dem Atomstrahl zu überwachen. Messungen diagnostizieren derartige Austauschreaktionen. Die Beobachtung von H-D-Austauschreaktionen stellt den ersten indirekte Beweis der katalytischen Aktivität von PAK-Molekülen bei der molekularen Wasserstoffbildung dar. Versuche mit Rastertunnelmikroskopie ergaben Bilder superhydrierter Spezies von submolekularer Auflösung und ermöglichten die Zuordnung von Orten spezifischer Wasserstoffreaktionen im PAK-Molekül. Die Daten zeigen, dass die H-Atome an mehreren verschiedenen Stellen im Molekül reagieren. Projekt-Modellsystem zur Erkundung der H-Wechselwirkung mit sehr großen polyzyklischen aromatischen Systemen war Graphen. Diese Untersuchungen ergaben, dass das Graphen-Trägersubstrat den Hydrierungsprozess stark beeinflusst. Anhand von Messungen mit UV-Photoemissionsspektroskopie konnte man nachweisen, dass durch die Wasserstoffnanomuster im Graphen eine Bandlücke von mindestens 450 meV geöffnet wird. Somit haben diese Untersuchungen zum bislang einzigen Verfahren zum Öffnen einer Bandlücke in großflächigem einlagigen Graphen hingeführt, die ausreichend groß für praktische Anwendungen ist.
Schlüsselbegriffe
Wasserstoff, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, HPAH, interstellar, Katalyse, Graphen
