Wetenschap
Licht werpen op perovskiethydriden met behulp van een nieuwe depositietechniek
Perovskiethydriden, waarvan de moleculaire structuur waterstofanionen bevat (H − ), trekken speciale aandacht vanwege hun van waterstof afgeleide eigenschappen. Veel experts zijn van mening dat deze verbindingen van cruciaal belang kunnen zijn bij de studie en ontwikkeling van waterstofopslagtechnologieën, zoals brandstofcellen en batterijen van de volgende generatie, evenals energiebesparende supergeleidende kabels.
Hoewel perovskiethydriden een uniek platform vormen voor toegepaste materiaalkunde, is het karakteriseren van hun fysieke eigenschappen een uitdaging gebleken. In het bijzonder het meten van de H − geleidbaarheid van deze kristallijne materialen is niet eenvoudig. In de meeste onderzoeken gebruiken onderzoekers poedervormige monsters in hun karakteriseringsanalyses, wat betekent dat H − de geleiding wordt beïnvloed door de onregelmatigheden ("korrelgrenzen") in de kristallen.
Om echte waarden te krijgen voor de intrinsieke H − geleidbaarheid van een gegeven perovskiet, moet men een uniform, continu enkel kristal produceren met zo min mogelijk onvolkomenheden. Voor complexe ternaire perovskiethydriden is het moeilijk om dit te bereiken, en zeer weinig onderzoeksgroepen hebben dit geprobeerd.
In een recente studie gepubliceerd in ACS Applied Energy Materials op 8 april 2024 besloot een team van onderzoekers, waaronder promovendus Erika Fukushi van de afdeling Regionale Milieusystemen van de Graduate School of Engineering and Science van het Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, de uitdaging aan te gaan.
Met behulp van een innovatieve aanpak om hoogwaardige monokristallen te produceren, voerde het team enkele van de eerste intrinsieke geleidingsmetingen uit op ternaire perovskiethydriden. Dit werk is co-auteur van Fumiya Mori, Kota Munefusa en Hiroyuki Oguchi van SIT en Takayuki Harada van het National Institute for Materials Science.
Om de perovskiet-monokristallen te produceren, ontwikkelden en pionierden de onderzoekers een krachtige methode genaamd 'H-radicaal reactieve infraroodlaserafzetting'. Deze aanpak omvat het schijnen van een infraroodlaser op een roterende schijfvormige pellet die de metaalatomen van het gewenste perovskiet bevat.
In hun onderzoek wilden de onderzoekers MLiH3 produceren (waarbij M Sr of Ba is), en dus werd de pellet gemaakt van een grof samengeperst mengsel van MH2 en LiH-poeders. Terwijl deze pellet door de laser werd verwarmd, kwamen de metalen vrij in een omringende H-radicaalrijke atmosfeer, verkregen door waterstof in de reactiekamer te injecteren via een verwarmd wolfraamfilament.
In de buurt van de pellet bevond zich een zorgvuldig geselecteerd substraat, waarop de waterstof en metalen zich spontaan combineerden om het gewenste perovskiet te vormen. Toen atomen zich op het substraat begonnen op te stapelen, rangschikten en richtten ze zich spontaan op een consistente manier met de kristallagen eronder. Dit leidde tot de epitaxiale groei van een nanofilm op het substraat.
"Onze aanpak is uniek vanwege het vermogen om afzetting uit te voeren in een radicale waterstofatmosfeer, waardoor de reactie tussen het metaal en waterstof aanzienlijk wordt bevorderd", legt Fukushi uit. "Dit resulteert in de synthese van dunne films met een enkelfasig hydride door de metaalatomen die van nature de neiging hebben om in de film te blijven, volledig te hydrogeneren."
De onderzoekers voerden meerdere laserafzettingen uit onder verschillende omstandigheden en karakteriseerden de resulterende dunne films grondig. Met behulp van vele geavanceerde technieken, waaronder röntgendiffractie, atoomkrachtmicroscopie en scanning-elektronenmicroscopie, bepaalden ze de elementaire distributie en kristalliniteit van elk van de films. Op deze manier bepaalden ze in hun experimentele opstelling de optimale omstandigheden voor het kweken van goed geordende, eenkristallijne MLiH3 .
Nadat het team de afwezigheid van korrelgrenzen in de films had bevestigd, kon het team eindelijk H − uitvoeren geleidbaarheidsmetingen. Vermeldenswaardig is dat dit de eerste metingen waren van de intrinsieke H − geleidbaarheid van deze kristallen, een cruciale informatie voor het selecteren van materialen in veel waterstofgerelateerde toepassingen.
"Er kunnen nieuwe secundaire batterijen en brandstofcellen worden ontwikkeld met behulp van hydride-ionengeleiding", zegt Fukushi. "Dergelijke technologieën zouden de verspreiding van elektrische voertuigen en hernieuwbare energie kunnen stimuleren, en uiteindelijk kunnen bijdragen aan de opbouw van een energiebesparende duurzame samenleving."