Hvorfor guld-palladium-legeringer er bedre end palladium til brintlagring

Materialer, der absorberer brint, bruges til brintlagring og -rensning, fungerer således som rene energibærere. Den mest kendte brintabsorber, palladium, kan forbedres ved at legere det med guld.

Ny forskning ledet af University of Tokyo Institute of Industrial Science forklarer for første gang, hvordan guld gør sådan en forskel, hvilket vil være værdifuldt til at finjustere yderligere forbedringer.

Det første trin i brintlagring er kemisorption, hvor gasformig H2 kolliderer med palladium og adsorberer (klæber) til overfladen. For det andet de kemisorberede H-atomer diffunderer ind i undergrunden, flere nanometer dyb. En nylig artikel offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) rapporterer, at gruppen fokuserede på dette langsomme andet trin, som er flaskehalsen i den samlede proces.

I rent palladium, kun omkring 1 ud af 1, 000 af de H2-molekyler, der kolliderer med metallet, absorberes faktisk ind i det indre. Derfor, kun disse kan lagres som energibærere. Imidlertid, når palladiumoverfladen er legeret med guld, absorptionen er over 40 gange hurtigere.

Det er vigtigt at få mængden af ​​guld helt rigtigt - hydrogenabsorption maksimeres, når antallet af guldatomer er lidt mindre end halvdelen (0,4) af et enkelt monolag af palladium, ifølge undersøgelsen. Dette blev opdaget ved termisk desorptionsspektroskopi, og ved dybdemåling af H-atomerne ved hjælp af gammastråleemissioner.

"Vi ville gerne vide, hvilken rolle guld spiller, ", siger førsteforfatter Kazuhiro Namba. "Guldatomerne er for det meste på legeringsoverfladen. Imidlertid, vores resultater viste, at brintlagring er forbedret selv under denne dybde, i rent palladium. Derfor, guld skal accelerere diffusionen af ​​brint ind i undergrunden, snarere end at forbedre dets opløselighed."

Denne diffusion virker som en typisk kemisk reaktion - dens hastighed bestemmes af energibarrieren, dvs. den forhindring, som H-atomerne skal overvinde for at trænge ind i palladium. Barrierehøjden er afstanden mellem energierne af de kemisorberede H-atomer og den overgangstilstand, de skal igennem for at nå det første sted under overfladen.

Ifølge density functional theory (DFT) beregninger, guldatomerne destabiliserer kemisorberet brint, dermed øge deres energi og reducere barrieren. Ved at gøre overfladen til et mindre stabilt miljø for H-atomer, dette tilskynder dem til at trænge hurtigere ind på dybere steder, i stedet for at dvæle ved overfladen. Fotoemissionsspektroskopi antyder, at guldatomer skubber palladiumelektronernes energi nedad, svække deres evne til at kemisorbere brint.

Imidlertid, de svagt kemisorberede H-atomer er også mere tilbøjelige til blot at desorbere fra overfladen; dvs. tilbage til gasfasen. Denne uønskede proces forklarer, hvorfor brintlagring maksimeres med kun 0,4 monolag guld - hvis der tilføjes mere guld, desorptionen af ​​brint overgår dets diffusion til palladium.

"Vores undersøgelse afslører, på elektronisk plan, hvordan guldlegering styrer brintabsorption, " siger medforfatter Shohei Ogura. "Dette vil hjælpe os med at designe bedre materialer til brintlagring, som vil spille en rolle i CO2-neutral energitransport, samt faste katalysatorer til kemiske reaktioner, som ofte er afhængige af overfladebundet brint."