NIMS, Kyushu University en Kyoto University hebben samen een mechanisme geïdentificeerd waarmee een hybride materiaal bestaande uit palladium (Pd) en metaal-organische raamwerken (MOF's) ongeveer twee keer zoveel waterstof kan opslaan als een materiaal dat uitsluitend uit Pd bestaat. De grotere waterstofopslagcapaciteit van het hybride materiaal gaat gepaard met een kleine verandering in de elektronische toestand, veroorzaakt door de overdracht van een elektrische lading - ongeveer 0,4 elektronen - van de Pd naar de MOF's. Het gezamenlijke onderzoeksteam heeft daarom met succes de kwantitatieve relaties tussen de elektronische toestanden van de materialen en hun waterstofopslageigenschappen bepaald. Deze bevindingen kunnen de ontwikkeling vergemakkelijken van nieuwe hybride materialen met superieure waterstofopslageigenschappen of met het vermogen om hydrogeneringsreacties efficiënt te katalyseren.

Waterstof is een levensvatbare energiebron van de volgende generatie. Wijdverbreid gebruik van waterstof vereist efficiënte opslagmethoden voor waterstof. Overgangsmetalen, zoals Pd, waarvan bekend is dat ze uitstekende waterstofopslageigenschappen bezitten. Recente rapporten gaven aan dat de waterstofopslagcapaciteiten van materialen die zijn samengesteld uit nanodeeltjes en MOF's van overgangsmetaal aanzienlijk hoger zijn dan die van materialen die uitsluitend uit een overgangsmetaal bestaan. Er was voorspeld dat deze verhoogde waterstofopslagmogelijkheden verband houden met de overdracht van elektrische lading op het grensvlak tussen de overgangsmetalen en de MOF's. Echter, de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de toegenomen waterstofopslagcapaciteiten werden niet kwantitatief begrepen (bijv. het overgedragen bedrag).

De onderzoekers onderzochten de elektronische toestand van een hybride materiaal, Pd@HKUST-1, die is samengesteld uit Pd nanocubes en MOF's (in het bijzonder, koper(II) 1, 3, 5-benzeentricarboxylaat, of HKUST-1) en in staat om ongeveer tweemaal de hoeveelheid waterstof op te slaan van materialen die uitsluitend uit Pd-nanokubussen bestaan. Voor dit onderzoek is de onderzoekers gebruikten de synchrotron-röntgenbundellijn van NIMS op SPring-8, 's werelds grootste synchrotronstralingsfaciliteit. In aanvulling, ze berekenden de elektronische toestanden van Pd en HKUST-1 afzonderlijk en vergeleken ze met de elektronische toestand van Pd@HKUST-1. Als resultaat, ze ontdekten dat een elektrische lading van ongeveer 0,4 elektronen was overgebracht van de Pd-nanokubussen naar de MOF's. Deze kleine ladingsoverdracht stelde de elektronenbanden in de Pd-nanokubussen vermoedelijk in staat om meer waterstof op te slaan, wat resulteert in een ongeveer verdubbelde waterstofopslagcapaciteit voor het hybride materiaal in vergelijking met een materiaal dat uitsluitend uit Pd-nanokubussen bestaat.

Hybride materialen bestaande uit nanodeeltjes van overgangsmetaal en MOF's zijn potentieel niet alleen in staat om grote hoeveelheden waterstof op te slaan, maar ook om hydrogeneringsreacties efficiënt te katalyseren. De methoden die in deze studie zijn ontwikkeld en gebruikt om elektronische toestanden te meten en te analyseren, kunnen de ontwikkeling van nieuwe hybride materialen versnellen met sterk verhoogde waterstofopslag en katalytische mogelijkheden.