Direkte observation af ad- og desorption af gæsteatomer til en mesoporøs vært

De fleste batterimaterialer, nye katalysatorer, og opbevaringsmaterialer til brint har én ting til fælles:de har en struktur sammensat af bittesmå porer i nanometerområdet. Disse porer giver plads, som kan optages af gæsteatomer, ioner, og molekyler. Som en konsekvens, gæstens og værtens egenskaber kan ændre sig dramatisk. At forstå processerne inde i porerne er afgørende for at udvikle innovative energiteknologier.

Observation af påfyldningsprocessen

Indtil nu, det har kun været muligt at karakterisere porestrukturen af ​​substratmaterialerne præcist. Den nøjagtige struktur af adsorbatet inde i porerne er forblevet skjult. For at undersøge dette, et team fra HZB sammen med kolleger fra universitetet i Hamburg, fra Tysklands nationale metrologiinstitut PTB, og Humboldt-Universität zu Berlin kombinerede for første gang to forskellige røntgenmetoder anvendt in-situ under fyldning og tømning af den porøse vært. Ved at gøre sådan, de gjorde alene strukturen af ​​gæsteatomerne synlig.

Modelsystem:Mesoporøst silicium med Xenon

Holdet undersøgte processen på et modelsystem lavet af mesoporøst silicium. Ædelgassen xenon blev bragt i kontakt med siliciumprøven i en specialfremstillet fysisorptionscelle under temperatur- og trykkontrol. De undersøgte prøven ved hjælp af uregelmæssig lille-vinklet røntgenspredning (ASAXS) og røntgenabsorption nær-kantstruktur (XANES) spektroskopi samtidigt, nær røntgenabsorptionskanten af ​​gæstexenonet. På denne måde de var i stand til sekventielt at registrere, hvordan xenon migrerer ind i porerne. De kunne observere, at atomerne først danner et monoatomisk lag på porernes indre overflader. Yderligere lag tilføjes og gennemgår omarrangering, indtil porerne er fyldt. Det bliver tydeligt, at fyldningen og tømningen af ​​porerne foregår gennem forskellige mekanismer med forskellige strukturer.

Signal fra Xenon-gæsterne udtrukket

"Ved brug af konventionel røntgenspredning (SAXS), du ser primært det porøse materiale, gæsternes bidrag er næsten ikke synlige, siger Eike Gericke, første forfatter til undersøgelsen, der laver sin ph.d. om røntgenteknikker. "Vi ændrede det ved at bruge ASAXS og målte ved røntgenabsorptionskanten af ​​xenon. Interaktionerne mellem xenon og røntgenstrålen ændres ved denne kant, så vi matematisk kan udtrække signalet fra xenon-gæsterne."

Empirisk indsigt i begrænset stof

"Dette giver os for første gang direkte adgang til et område, som man tidligere kun kunne spekulere i, " forklarer Dr. Armin Hoell, en tilsvarende forfatter til papiret. "Ved at anvende kombinationen af ​​disse to røntgenmetoder på processen gør det nu muligt at observere opførselen af ​​stof indespærret i nanostrukturer empirisk. Dette er et kraftfuldt nyt værktøj til at få dybere indsigt i batterielektroder, katalysatorer, og brintlagringsmaterialer."