Neutroner låser op for egenskaber ved nyt porøst metalhydrid til mulige nye energilagringsapplikationer

Adskillelse af gasser som brint fra større forbindelser i luften er en vigtig del af fremstilling og energiproduktion. Men det er også en dyr proces, kræver store mængder energi og et kompliceret netværk af tunge maskiner for at være rentabel.

Yaroslav Filinchuk, en professor i kemi fra Université Catholique de Louvain, Belgien, og Michael Heere, en forsker fra Karlsruhe Institute of Technology og tilknyttet forskningsreaktoren Forschungsreaktor München II i München, Tyskland, kan have en løsning på dette problem. Brug af neutronspredning ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Filinchuk og Heere undersøger et materiale, der kan ændre den måde, vi høster værdifulde industrimaterialer på.

"Vi har et unikt materiale. Det er det første porøse metalhydridmateriale i sin unikke klasse, " sagde Filinchuk. "Vi har en prøve her [Mg(BH ₄ ) ₂ ], og vi forsøger at udsætte den for forskellige gasser for at se, om vi bedre kan forstå, hvordan den absorberer disse gasser."

Et komplekst metalhydrid er et sammensat materiale, der består af sammenbundne atomer af hydrogen og metal. Metalhydrider er almindelige i visse batterier, hvor de bruges til at opbevare brint. Men porerne i magnesiumborhydrid gør det til et særligt godt værktøj til brintlagring, lader stoffet optage en enorm mængde brint - mere end det dobbelte af den mængde, der findes i flydende brint. Hvad mere er, disse porer har den perfekte størrelse til at filtrere molekyler som krypton og xenon fra hinanden eller fra større forbindelser, potentielt eliminerer behovet for det tunge køleudstyr, der i øjeblikket bruges til afkøling, fange, adskille, og opbevare industrigasser.

"Når du har noget, der kan lagre så meget brint og potentielt isolere værdifulde industrigasser, det er ret spændende, "sagde Heere.

Neutroner er særligt velegnede til denne type forskning, fordi de kan trænge dybt igennem komplekse metalhydrider som Mg(BH) ₄ ) ₂ og er ekstremt følsomme over for lette elementer som brint.

Brug af det nyligt opgraderede vidvinkelneutrondiffraktometer (WAND ² ), beamline HB-2C, ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), Filinchuk og Heere kan præcist lokalisere brintmolekyler, når de interagerer med materialets overflade, selv når disse partikler er skjult af større atomer i metalhydridforbindelsen.

"Dette er en ny slags eksperiment for os. Vi er i stand til at studere disse interaktioner i hidtil usete detaljer på grund af de opgraderinger, vi lavede, som omfatter installation af en ny detektor, som har forbedret instrumentets effektivitet med en faktor på 15, " sagde instrumentforsker Matthias Frontzek.

"Neutroner giver os et rigtig godt indtryk af, hvad der foregår med vores stof og de gasser, vi udsætter det for. Vi kan se molekyler gå ind og ud af Mg(BH) ₄ ) ₂ porer som nøgler, der passerer gennem en lås, " tilføjede Filinchuk.

Dette eksperiment er særligt udfordrende, byder på en række unikke tekniske farer, som ORNL-personalet skulle tage højde for, mens de hjalp Filinchuk og Heere med at forberede deres projekt.

"Oak Ridge National Lab er den slags sted, hvor du kan få disse komplicerede eksperimenter til at ske. Folk er villige til at investere tiden for at hjælpe brugere med at udfordre videnskaben sikkert, " forklarede instrumentforsker Simon Kimber.

Mens Filinchuk og Heere bemærker, at der stadig er meget mere forskning at gøre, før de har en omfattende forståelse af, hvad Mg(BH) ₄ ) ₂ er i stand til, de håber, at deres data vil have indflydelse.

"Vi ville elske at yde et meningsfuldt bidrag ikke kun til industrien, men også til materialevidenskab generelt, " sagde Heere.