De meeste batterijmaterialen, nieuwe katalysatoren, en opslagmaterialen voor waterstof hebben één ding gemeen:ze hebben een structuur die bestaat uit minuscule poriën in het nanometerbereik. Deze poriën bieden ruimte die kan worden ingenomen door gastatomen, ionen, en moleculen. Als gevolg hiervan, de eigenschappen van de gast en de gastheer kunnen drastisch veranderen. Het begrijpen van de processen in de poriën is cruciaal om innovatieve energietechnologieën te ontwikkelen.

Het vulproces observeren

Tot dusver, het is alleen mogelijk geweest om de poriestructuur van de substraatmaterialen nauwkeurig te karakteriseren. De exacte structuur van het adsorbaat in de poriën is verborgen gebleven. Om dit te onderzoeken, een team van de HZB samen met collega's van de Universiteit van Hamburg, van het Duitse nationale metrologie-instituut PTB, en Humboldt-Universität zu Berlin combineerden voor het eerst twee verschillende röntgenmethoden die in-situ werden toegepast tijdens het vullen en legen van de poreuze gastheer. Als je dat doet, ze maakten alleen de structuur van de gastatomen zichtbaar.

Modelsysteem:Mesoporous Silicium met Xenon

Het team onderzocht het proces op een modelsysteem gemaakt van mesoporeus silicium. Het edelgas xenon werd in een op maat gemaakte fysisorptiecel onder temperatuur- en drukregeling in contact gebracht met het siliciummonster. Ze onderzochten het monster met behulp van abnormale kleine-hoek röntgenverstrooiing (ASAXS) en röntgenabsorptie near-edge structure (XANES) spectroscopie tegelijkertijd, nabij de röntgenabsorptierand van het gastxenon. Op deze manier, ze waren in staat om achtereenvolgens vast te leggen hoe xenon in de poriën migreert. Ze konden waarnemen dat de atomen eerst een monoatomaire laag vormen op de binnenoppervlakken van de poriën. Verdere lagen worden toegevoegd en ondergaan herschikkingen totdat de poriën zijn gevuld. Het wordt duidelijk dat het vullen en legen van de poriën verloopt via verschillende mechanismen met verschillende structuren.

Signaal van de Xenon-gasten gehaald

"Met behulp van conventionele röntgenverstrooiing (SAXS), je ziet vooral het poreuze materiaal, de bijdragen van de gasten zijn nauwelijks zichtbaar, " zegt Eike Gericke, eerste auteur van de studie, die zijn Ph.D. over röntgentechnieken. "We hebben dat veranderd door ASAXS te gebruiken en gemeten aan de röntgenabsorptierand van xenon. De interacties tussen xenon en de röntgenbundel veranderen aan deze rand, zodat we het signaal van de xenon-gasten wiskundig kunnen extraheren."

Empirisch inzicht in besloten materie

"Dit geeft ons voor het eerst directe toegang tot een gebied waar voorheen alleen over kon worden gespeculeerd, " legt Dr. Armin Hoell uit, een corresponderende auteur van het artikel. "Door de combinatie van deze twee röntgenmethoden op het proces toe te passen, is het nu mogelijk om het gedrag van materie opgesloten in nanostructuren empirisch te observeren. Dit is een krachtig nieuw hulpmiddel om dieper inzicht te krijgen in batterij-elektroden, katalysatoren, en waterstofopslagmaterialen."