Belysning af perovskithydrider ved hjælp af en ny aflejringsteknik

Perovskites er i øjeblikket et varmt emne inden for materialevidenskab på grund af deres bemærkelsesværdige egenskaber og potentielle anvendelser, herunder bæredygtige energiteknologier, katalyse og optoelektronik, for at nævne nogle få.

Perovskithydrider, hvis molekylære struktur indeholder hydrogenanioner (H ^- ), tiltrækker særlig opmærksomhed på grund af deres hydrogen-afledte egenskaber. Mange eksperter mener, at disse forbindelser kan være nøglen i undersøgelsen og udviklingen af ​​brintlagringsteknologier, såsom brændselsceller og næste generations batterier, samt energibesparende superledende kabler.

Selvom perovskithydrider repræsenterer en unik platform for anvendt materialevidenskab, har karakterisering af deres fysiske egenskaber vist sig udfordrende. Især måling af H ⁻ ledningsevnen af ​​disse krystallinske materialer er ikke ligetil. I de fleste undersøgelser bruger forskere pulveriserede prøver i deres karakteriseringsanalyser, hvilket betyder, at H ⁻ ledning er påvirket af uregelmæssigheder ("korngrænser") i krystallerne.

For at få sande værdier for den iboende H ⁻ ledningsevne af en given perovskit, skal man producere en ensartet, kontinuerlig enkeltkrystal med så få ufuldkommenheder som muligt. For komplekse ternære perovskithydrider er det svært at opnå dette, og meget få forskergrupper har forsøgt det.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS Applied Energy Materials den 8. april 2024 besluttede et team af forskere, herunder doktorgradsstuderende Erika Fukushi fra Department of Regional Environment Systems på Graduate School of Engineering and Science ved Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, at stå op til udfordringen.

Ved at bruge en innovativ tilgang til at producere enkeltkrystaller af høj kvalitet udførte holdet nogle af de første målinger af indre ledning på ternære perovskithydrider. Dette arbejde er medforfatter af Fumiya Mori, Kota Munefusa og Hiroyuki Oguchi fra SIT og Takayuki Harada fra National Institute for Materials Science.

For at producere perovskit-enkeltkrystallerne udviklede og var forskerne banebrydende for en kraftfuld metode kaldet "H-radikal reaktiv infrarød laseraflejring." Denne fremgangsmåde indebærer, at en infrarød laser skinner på en roterende skiveformet pellet, der indeholder metalatomerne i den ønskede perovskit.

I deres undersøgelse ønskede forskerne at producere MLiH₃ (hvor M er enten Sr eller Ba), og pelleten blev således lavet af en råt komprimeret blanding af MH₂ og LiH-pulvere. Da denne pellet blev varmet op af laseren, blev metallerne frigivet fra den til en omgivende H-radikal-rig atmosfære, opnået ved at sprøjte brint ind i reaktionskammeret gennem en opvarmet wolframfilament.

I nærheden af ​​pelleten var et omhyggeligt udvalgt substrat, hvorpå brint og metaller spontant kombinerede for at danne den ønskede perovskit. Da atomer begyndte at hobe sig op på substratet, arrangerede de spontant og rettede sig ind på en konsistent måde med krystallagene under dem. Dette førte til epitaksial vækst af en nanofilm på substratet.

"Vores tilgang er unik i sin evne til at udføre aflejring i en radikal brintatmosfære, hvilket markant fremmer reaktionen mellem metallet og brint," forklarer Fukushi. "Dette resulterer i syntesen af ​​enfaset hydrid-tynde film ved fuldstændig at hydrogenere metalatomerne, som naturligt har tendens til at forblive i filmen."

Forskerne udførte flere laseraflejringer under en række forskellige forhold og karakteriserede de resulterende tynde film grundigt. Ved hjælp af mange avancerede teknikker, herunder røntgendiffraktion, atomkraftmikroskopi og scanningselektronmikroskopi, bestemte de grundstoffordelingen og krystalliniteten af ​​hver af filmene. På denne måde bestemte de de optimale betingelser i deres eksperimentelle opsætning for at dyrke velordnet, enkrystal MLiH₃ .

Efter at have bekræftet fraværet af korngrænser i filmene, kunne holdet endelig udføre H ⁻ ledningsevnemålinger. Værd at bemærke, disse var de første målinger af den iboende H ⁻ ledningsevne af disse krystaller, en afgørende information for valg af materialer i mange brint-relaterede applikationer.

"Nye sekundære batterier og brændselsceller kan udvikles ved hjælp af hydrid-ion-ledning," kommenterer Fukushi. "Sådanne teknologier kan fremme spredningen af ​​elektriske køretøjer og vedvarende energi og i sidste ende bidrage til opbygningen af ​​et energibesparende bæredygtigt samfund."

Flere oplysninger: Erika Fukushi et al., Epitaxial Thin Film Growth of Perovskite Hydrides MLiH3 (M :Sr, Ba) til undersøgelse af indre hydrid-ion-ledning, ACS Applied Energy Materials (2024). DOI:10.1021/acsaem.3c03188

Leveret af Shibaura Institute of Technology