Waterstofhoudende stoffen zijn belangrijk voor veel industrieën, maar wetenschappers hebben moeite gehad om gedetailleerde beelden te verkrijgen om het gedrag van het element te begrijpen. In Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten onderzoekers demonstreren de kwantificering van waterstof voor verschillende watertoestanden, d.w.z. vloeistof, bevroren en onderkoeld - voor toepassingen op milieuvriendelijke brandstofcellen.

"Onze methode is niet beperkt tot brandstofcellen of water. Er zijn veel verbindingen in de chemische industrie, inclusief elektrochemie, elektrolyten voor batterijen of redox-flowcellen, die ook waterstof bevatten, " zei teamleider Pierre Boillat, van het Paul Scherrer Institut in Zwitserland.

Wanneer zuiver water onder nul graden Celsius wordt gekoeld, het vormt niet altijd ijs, maar kan in een vloeibare vorm blijven die bekend staat als onderkoeld water. Dit fenomeen doet zich tot op zekere hoogte voor in brandstofcellen met polymere elektrolyten, en omdat bekend is dat het bevriezen en de daaropvolgende volume-expansie van water schade veroorzaakt, er is interesse om deze watertoestanden te begrijpen.

Het Zwitserse team gebruikte bundels neutronen om de binnenkant van een kalibratiecel met aluminium wanden te onderzoeken. Neutronen kaatsten terug op de waterstof van H ₂ O moleculen in een detecteerbaar patroon, zoals hoe röntgenstralen worden gebruikt om botten in beeld te brengen. Het team van Boillat heeft eerder aangetoond dat de verschillende doorsneden van ijs en onderkoeld water bij lagere neutronenenergieën kunnen worden gebruikt voor beeldvormingsdoeleinden. Ze hebben het proces verfijnd om beelden te produceren met een ongekend contrast.

"We hebben een methode ontwikkeld die gebruikmaakt van een intensieve cyclus van repetitieve pulsen die erg breed zijn, het geven van een veel sterkere bundelflux, zodat we sneller en met een betere beeldkwaliteit kunnen meten, " zei Boillat, beschrijving van de zogenaamde high-duty cycle, time-of-flight metingen, die zijn team implementeerde op de bundellijn van de European Spallation Source-testopstelling in Helmholtz Zentrum Berlin in Duitsland.

Auteur Muriel Siegwart legde de toename van de meetsnelheid uit, van vijf uur tot vijf minuten, was van cruciaal belang voor het volgen van de voortgang van een reactie. Ze hoopt de snelheid nog verder op te voeren, zodat ze de vorming van ijs en daaropvolgende schade in brandstofcellen kunnen volgen.

Boillat benadrukte hoe de cross-continentale samenwerkingen van het team van cruciaal belang waren om experimentele bevindingen te bevestigen. Dit omvatte samenwerkingen met experts op het gebied van neutronendetectoren van de Universiteit van Californië, Berkeley en theoretische simulatie-experts van de afdeling Neutronenfysica en Instituto Balseiro in Bariloche, Argentinië.

"We hebben enige invloed van de temperatuur op de metingen waargenomen, maar wisten niet zeker of dit een vorm van experimentele vooringenomenheid was. Het kwam perfect overeen met de theoretische modellen die aantoonden dat dit een echt effect was, ' zei Boullat.

Het team van Boillat was ook een van de eersten die experimenteel gebruik maakte van het golflengteframe-multiplicatie-choppersysteem, een verbeteringstechniek die zal worden opgenomen in verschillende instrumenten van de European Spallation Source-faciliteit in aanbouw in Zweden. Gebruikmakend van de referentiegegevens die met deze methode zijn verkregen, het team ontwikkelde een theoretisch raamwerk dat de contrast-ruisverhouding in verkregen afbeeldingen optimaliseert. Het team past dit raamwerk toe op de analyse van lithium-ionbatterijen.