Een groep onderzoekers heeft een eenvoudige en goedkope manier ontwikkeld om de atomaire toestand van waterstof in beeld te brengen. Details van hun doorbraak worden gepubliceerd in het tijdschrift Acta Materialia .

Waterstof is kooldioxidevrij en wordt al lang aangeprezen als een bron van schone energie. Toch vereist het verschuiven van de samenleving naar waterstofenergie het overwinnen van een aantal belangrijke technische problemen. Er zijn structurele en functionele materialen nodig die waterstof produceren, opslaan, transporteren en conserveren.

Om geavanceerde materialen voor waterstofgerelateerde toepassingen te ontwikkelen, is een fundamenteel begrip van hoe waterstof zich in legeringen gedraagt ​​cruciaal. De huidige technologie schiet op dit gebied echter tekort. Het detecteren van waterstof in de atomaire toestand – het kleinste atoom in het universum – met röntgenstralen of lasers is een uitdaging vanwege de unieke eigenschappen ervan. Onderzoekers richten zich momenteel op betere analytische en visualisatietechnieken die tegelijkertijd hoge ruimtelijke en tijdresoluties kunnen integreren.

Hiroshi Kakinuma, assistent-professor aan de Tohoku Universiteit, en zijn co-auteurs ontwikkelden een nieuwe visualisatietechniek waarbij gebruik werd gemaakt van een optische microscoop en een polyanilinelaag.

"Wanneer de kleur van de polyanilinelaag reageert met de atomaire toestand waterstof in metalen, verandert deze van kleur, waardoor we de stroom waterstofatomen kunnen analyseren op basis van de kleurverdeling van de polyanilinelaag", zegt Kakinuma.

"Bovendien kunnen optische microscopen het beeld op submillimeterschaal in realtime waarnemen met ruimtelijke resolutie op microschaal, waardoor waterstofgedrag wordt vastgelegd met ongekend hoge ruimtelijke en tijdresoluties."

Dankzij deze methode filmden de onderzoekers met succes de stroom waterstofatomen in puur nikkel (Ni). De kleur van polyaniline veranderde van paars naar wit bij reactie met waterstofatomen in een metaal. In situ visualisatie onthulde dat waterstofatomen in zuiver Ni bij voorkeur door korrelgrenzen in ongeordende Ni-atomen diffundeerden.

Bovendien ontdekte de groep dat waterstofdiffusie afhankelijk was van de geometrische structuur van de korrelgrenzen:de waterstofflux groeide bij korrelgrenzen met grote geometrische ruimtes. Deze resultaten hebben op experimentele wijze de relatie verduidelijkt tussen de structuur op atomaire schaal van zuiver Ni en het waterstofdiffusiegedrag.

De aanpak heeft ook bredere toepassingen. Het kan worden toegepast op andere metalen en legeringen, zoals staal en aluminiumlegeringen, en vergemakkelijkt op drastische wijze het ophelderen van de microscopische interacties tussen waterstof en materiaal, die verder kunnen worden onderzocht door middel van simulaties.

"Het begrijpen van waterstofgedrag gerelateerd aan de structuur van legeringen op atomaire schaal zal een efficiënt legeringsontwerp mogelijk maken, wat de ontwikkeling van zeer functionele materialen dramatisch zal versnellen en ons een stap dichter bij een op waterstof-energie gebaseerde samenleving zal brengen", voegt Kakinuma toe.

Meer informatie: Hiroshi Kakinuma et al, In situ visualisatie van misoriëntatie-afhankelijke waterstofdiffusie aan korrelgrenzen van zuiver polykristallijn Ni met behulp van een waterstofvideobeeldvormingssysteem, Acta Materialia (2023). DOI:10.1016/j.actamat.2023.119536

Journaalinformatie: Acta Materialia

Aangeboden door Tohoku Universiteit