Een team van vier onderzoekers van Stanford University en het Nederlandse energieonderzoeksinstituut DIFFER hebben voor het eerst het mechanisme bepaald waarmee nanometergrote palladiumdeeltjes waterstof opnemen. Omdat de eigenschappen van nanodeeltjes sterk veranderen met hun grootte, door de juiste soorten nanodeeltjes te kiezen, kun je de eigenschappen van materialen verfijnen. De bevinding werd gepubliceerd in Natuurmaterialen en kan leiden tot verbeterde waterstofopslag en lithium-ionbatterijen.

Rond het gemiddelde komen

Weten welk nanodeeltje je moet kiezen voor een toepassing blijkt een uitdaging. "Bij conventionele experimenten, onderzoekers produceren en meten een hele reeks nanodeeltjes met verschillende groottes", legt hoofdauteur Andrea Baldi (Stanford University en DIFFER) uit. "Echter, het verschil in gedrag tussen een deeltje van 8 en 12 nm is enorm. Dus als je het gemiddelde neemt over een hele groep, het resultaat vertelt je niet welk gedrag bij welk deeltje hoort."

Het onderzoeksteam, onder leiding van Jennifer Dionne van Stanford University, besloten om de relatie tussen nanodeeltjesgroottes en hun eigenschappen op te helderen. Met de hulp van Ai Leen Koh van de Environmental Transmission Electron Microscope-faciliteit van de universiteit, Dionne, Baldi en hun collega-onderzoeker Turan C. Narayan slaagden erin om individuele nanodeeltjes te selecteren en te meten hoeveel waterstof ze bevatten wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende drukken van waterstofgas.

Shell-model

De resultaten van het team passen in een model waarin een buitenste schil van het palladiumdeeltje eerst waterstof laadt. Absorptie van waterstof zorgt ervoor dat palladium met ongeveer 10% opzwelt, dus de schaal zet uit en trekt de kern van het deeltje open om waterstof gemakkelijker op te zuigen. Hoe kleiner het deeltje, hoe groter de relatieve invloed van de buitenste schil op zijn omvang. "Naast onze metingen aan de waterstofopname, dit past ook bij gegevens over nanogestructureerde elektroden voor lithium-ionbatterijen. waarin kleinere deeltjes de neiging hebben om op te laden bij lagere potentialen."

Andrea Baldi:"De doorbraak is dat we nu kunnen meten en mogelijk voorspellen hoe de grootte van een individueel deeltje, vorm en kristalstructuur bepalen het mechanisme van waterstofopname en -afgifte."

Verder inzoomen

“In ons vervolgonderzoek we willen de volgende stap zetten en kijken naar de manier waarop waterstof wordt verdeeld binnen een individueel nanodeeltje", zegt Baldi. "Dat zou echt een venster moeten openen op het opnameproces."