Wetenschap
De Au-atomen destabiliseren chemisorbed waterstof, waardoor hun energie toeneemt en de barrière wordt verlaagd. Krediet:Shohei Ogura 2018, Instituut voor Industriële Wetenschappen, De Universiteit van Tokio
Materialen die waterstof absorberen worden gebruikt voor waterstofopslag en -zuivering, dus dienen als schone energiedragers. De bekendste waterstofabsorbeerder, palladium, kan worden verbeterd door het te legeren met goud.
Nieuw onderzoek onder leiding van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo legt voor het eerst uit hoe goud zo'n verschil maakt. die waardevol zal zijn voor het verfijnen van verdere verbeteringen.
De eerste stap in waterstofopslag is chemisorptie, waarbij gasvormig H2 botst met palladium en adsorbeert (kleeft) aan het oppervlak. Ten tweede, de chemisch gesorbeerde H-atomen diffunderen in de ondergrond, enkele nanometers diep. Een recent artikel gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) meldt dat de groep zich concentreerde op deze langzame tweede stap, dat is de bottleneck voor het totale proces.
In puur palladium, slechts ongeveer 1 op 1, 000 van de H2-moleculen die met het metaal botsen, absorberen daadwerkelijk in het interieur. Vandaar, alleen deze kunnen worden opgeslagen als energiedragers. Echter, wanneer het palladiumoppervlak is gelegeerd met goud, absorptie is meer dan 40 keer sneller.
Het is van vitaal belang om de hoeveelheid goud precies goed te krijgen - waterstofabsorptie wordt gemaximaliseerd wanneer het aantal goudatomen iets minder is dan de helft (0,4) van een enkele monolaag palladium, volgens de studie. Dit werd ontdekt door thermische desorptiespectroscopie, en door dieptemeting van de H-atomen met behulp van gammastraling.
"We wilden weten welke rol goud speelt, " zegt eerste auteur Kazuhiro Namba. "De goudatomen bevinden zich meestal aan het oppervlak van de legering. Echter, onze resultaten toonden aan dat de opslag van waterstof zelfs onder deze diepte wordt verbeterd, in puur palladium. Daarom, goud moet de diffusie van waterstof in de ondergrond versnellen, in plaats van de oplosbaarheid ervan te verbeteren."
Deze diffusie werkt als een typische chemische reactie - de snelheid wordt bepaald door de energiebarrière, d.w.z. de hindernis die de H-atomen moeten overwinnen om palladium binnen te dringen. De barrièrehoogte is de kloof tussen de energieën van de chemisch gesorbeerde H-atomen en de overgangstoestand waar ze doorheen moeten om de eerste ondergrondse locatie te bereiken.
Volgens berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), de goudatomen destabiliseren chemisorbed waterstof, waardoor hun energie toeneemt en de barrière wordt verlaagd. Door van het oppervlak een minder stabiele omgeving te maken voor H-atomen, dit moedigt hen aan om sneller door te dringen tot diepere plaatsen, in plaats van aan de oppervlakte te blijven hangen. Foto-emissiespectroscopie suggereert dat goudatomen de energie van de palladiumelektronen naar beneden duwen, hun vermogen om waterstof chemisorberen te verzwakken.
Echter, de zwak chemisch gesorbeerde H-atomen zullen ook eerder eenvoudig van het oppervlak desorberen; d.w.z., terug naar de gasfase. Dit ongewenste proces verklaart waarom waterstofopslag wordt gemaximaliseerd met slechts 0,4 monolagen goud - als er nog meer goud wordt toegevoegd, de desorptie van waterstof overtreft de diffusie ervan in palladium.
"Onze studie onthult, op elektronisch niveau, hoe goudlegering de waterstofabsorptie regelt, "Co-auteur Shohei Ogura zegt. "Dit zal ons helpen om betere waterstofopslagmaterialen te ontwerpen, die een rol gaan spelen bij CO2-neutraal energietransport, evenals vaste katalysatoren voor chemische reacties, die vaak afhankelijk zijn van oppervlaktegebonden waterstof."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com