Grænseflade elektronisk tilstand, der forbedrer brintlagringskapacitet i Pd-MOF-materialer

NIMS, Kyushu University og Kyoto University identificerede i fællesskab en mekanisme, hvorved et hybridmateriale bestående af palladium (Pd) og metal-organiske rammer (MOF'er) er i stand til at lagre cirka dobbelt så meget brint som et materiale, der udelukkende består af Pd. Hybridmaterialets større brintlagringskapacitet er forbundet med en lille ændring i dets elektroniske tilstand forårsaget af overførslen af ​​en elektrisk ladning - svarende til ca. 0,4 elektroner - fra Pd til MOF'erne. Det fælles forskerhold har derfor med succes fastslået de kvantitative sammenhænge mellem materialernes elektroniske tilstande og deres brintlagringsegenskaber. Disse resultater kan lette udviklingen af ​​nye hybridmaterialer med overlegne hydrogenlagringsegenskaber eller med evnen til effektivt at katalysere hydrogeneringsreaktioner.

Brint er en levedygtig næste generations energikilde. Udbredt brug af brint vil kræve effektive brintlagringsmetoder. Overgangsmetaller, såsom Pd, er kendt for at have fremragende hydrogenlagringsegenskaber. Nylige rapporter indikerede, at brintlagringskapaciteten for materialer, der består af overgangsmetalnanopartikler og MOF'er, er betydeligt højere end for materialer, der udelukkende består af et overgangsmetal. Det var blevet forudsagt, at disse øgede hydrogenlagringskapaciteter er forbundet med overførsel af elektrisk ladning ved grænsefladen mellem overgangsmetallerne og MOF'erne. Imidlertid, de mekanismer, der er ansvarlige for den øgede brintlagringskapacitet, blev ikke kvantitativt forstået (f.eks. det overførte gebyr).

Forskerne undersøgte den elektroniske tilstand af et hybridmateriale, Pd@HKUST-1, som er sammensat af Pd nanokuber og MOF'er (specifikt, kobber(II) 1, 3, 5-benzentricarboxylat, eller HKUST-1) og er i stand til at lagre cirka det dobbelte af mængden af ​​brint af materialer, der udelukkende består af Pd nanokuber. Til denne undersøgelse, forskerne brugte NIMS's synkrotron røntgenstrålelinje ved SPring-8, verdens største synkrotronstrålingsanlæg. Ud over, de beregnede de elektroniske tilstande af Pd og HKUST-1 separat og sammenlignede dem med den elektroniske tilstand af Pd@HKUST-1. Som resultat, de fandt, at en elektrisk ladning på ca. 0,4 elektroner var blevet overført fra Pd nanokuberne til MOF'erne. Denne lille ladningsoverførsel gjorde det formentlig muligt for elektronbåndene i Pd nanokuberne at lagre mere brint, hvilket resulterer i tilnærmelsesvis fordoblet brintlagringskapacitet for hybridmaterialet sammenlignet med et materiale, der udelukkende består af Pd nanokuber.

Hybridmaterialer sammensat af overgangsmetalnanopartikler og MOF'er er potentielt ikke kun i stand til at lagre store mængder brint, men også til effektivt at katalysere hydrogeneringsreaktioner. De metoder, der er udviklet og brugt i denne undersøgelse til at måle og analysere elektroniske tilstande, kan accelerere udviklingen af ​​nye hybridmaterialer med stærkt øget brintlagring og katalytiske evner.