Het scheiden van gassen zoals waterstof van grotere verbindingen in de lucht is een belangrijk onderdeel van productie en energieproductie. Maar het is ook een duur proces, grote hoeveelheden energie en een ingewikkeld netwerk van zware machines nodig hebben om winstgevend te zijn.

Yaroslav Filinchuk, hoogleraar scheikunde aan de Université Catholique de Louvain, België, en Michael Heere, een onderzoeker van het Karlsruhe Institute of Technology en filiaal van de Forschungsreaktor München II onderzoeksreactor in München, Duitsland, wellicht een oplossing voor dit probleem. Met behulp van neutronenverstrooiing in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE), Filinchuk en Heere onderzoeken een materiaal dat de manier waarop we waardevolle industriële materialen oogsten zou kunnen veranderen.

"We hebben een uniek materiaal. Het is het eerste poreuze metaalhydridemateriaal in zijn unieke klasse, " zei Filinchuk. "We hebben hier een monster [Mg(BH ₄ ) ₂ ], en we proberen het bloot te stellen aan verschillende gassen om te zien of we beter kunnen begrijpen hoe het die gassen absorbeert."

Een complex metaalhydride is een samengesteld materiaal dat bestaat uit aan elkaar gebonden atomen van waterstof en metaal. Metaalhydriden komen veel voor in bepaalde batterijen, waar ze worden gebruikt om waterstof op te slaan. Maar de poriën in magnesiumboorhydride maken het een bijzonder goed hulpmiddel voor waterstofopslag, waardoor de stof een enorme hoeveelheid waterstof kan opnemen - meer dan het dubbele van de hoeveelheid die wordt aangetroffen in vloeibare waterstof. Bovendien, die poriën hebben de perfecte grootte om moleculen zoals krypton en xenon van elkaar of van grotere verbindingen te filteren, mogelijk de noodzaak voor de zware koelapparatuur die momenteel wordt gebruikt om te koelen, te elimineren, vastlegging, verschillend, en industriële gassen opslaan.

"Als je iets hebt dat zoveel waterstof kan opslaan en mogelijk waardevolle industriële gassen kan isoleren, het is best spannend, ’ zei Heere.

Neutronen zijn bijzonder geschikt voor dit soort onderzoek omdat ze diep kunnen doordringen in complexe metaalhydriden zoals Mg(BH) ₄ ) ₂ en zijn extreem gevoelig voor lichte elementen zoals waterstof.

Met behulp van de onlangs geüpgradede Wide-Angle Neutron Diffractometer (WAND ² ), bundellijn HB-2C, bij ORNL's Hoge Flux Isotoop Reactor (HFIR), Filinchuk en Heere kunnen waterstofmoleculen precies lokaliseren terwijl ze interageren met het oppervlak van het materiaal. zelfs wanneer die deeltjes worden verduisterd door grotere atomen in de metaalhydrideverbinding.

"Dit is een nieuw soort experiment voor ons. We zijn in staat om deze interacties in ongekend detail te bestuderen dankzij de upgrades die we hebben gemaakt, waaronder het installeren van een nieuwe detector, die de efficiëntie van het instrument met een factor 15 hebben verbeterd, " zei instrumentwetenschapper Matthias Frontzek.

"Neutronen geven ons een heel goede indruk van wat er aan de hand is met onze stof en de gassen waaraan we deze blootstellen. We kunnen moleculen in en uit Mg(BH) zien gaan ₄ ) ₂ 's poriën als sleutels die door een slot gaan, " voegde Filinchuk eraan toe.

Dit experiment is bijzonder uitdagend, met een aantal unieke technische risico's waarmee ORNL-medewerkers rekening moesten houden bij het helpen van Filinchuk en Heere bij het voorbereiden van hun project.

"Oak Ridge National Lab is het soort plek waar je deze gecompliceerde experimenten kunt laten plaatsvinden. Mensen zijn bereid tijd te investeren om gebruikers te helpen bij het veilig uitvoeren van uitdagende wetenschap, ", legt instrumentwetenschapper Simon Kimber uit.

Terwijl Filinchuk en Heere opmerken dat er nog veel meer onderzoek moet worden gedaan voordat ze een uitgebreid begrip hebben van wat Mg(BH ₄ ) ₂ is in staat om, ze hopen dat hun gegevens impact zullen hebben.

"We willen graag een zinvolle bijdrage leveren, niet alleen aan de industrie, maar ook op het gebied van materiaalkunde in het algemeen, ’ zei Heere.