Een nieuwe methode voor het lokaliseren van waterstofisotopen in titaniumhydride-nanofilms zou de waterstofopslag kunnen bevorderen

Hoewel het het kleinste en lichtste atoom is, kan waterstof een grote impact hebben door andere materialen te infiltreren en hun eigenschappen, zoals supergeleiding en metaal-isolator-overgangen, te beïnvloeden. Nu hebben onderzoekers uit Japan zich geconcentreerd op het vinden van een gemakkelijke manier om het in nanofilms te lokaliseren.

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatiehebben onderzoekers van het Institute of Industrial Science van de Universiteit van Tokio een methode gerapporteerd voor het bepalen van de locatie van waterstof in nanofilms.

Omdat ze erg klein zijn, kunnen waterstofatomen gemakkelijk migreren naar het raamwerk van andere materialen. Titanium absorbeert waterstof en geeft titaniumhydriden, waardoor het bruikbaar is voor toepassingen zoals waterstofopslag.

Inzicht in hoeveel waterstofatomen er aanwezig zijn en waar ze zich precies bevinden, kan de sleutel vormen tot het afstemmen van de eigenschappen van het materiaal. Het detecteren van waterstof met veelgebruikte technieken, zoals elektronensondes en röntgenstraling, is echter een uitdaging vanwege hun gebrek aan gevoeligheid voor de kleine atomen.

De onderzoekers combineerden twee technieken – kernreactieanalyse (NRA) en ionchanneling – om tweedimensionale hoekige mapping van titaniumhydride-nanofilms te genereren.

“We hebben een TiH onder de loep genomen_1.47 nanofilm”, legt hoofdauteur van het onderzoek Takahiro Ozawa uit. “Het begrijpen van nanofilms is nuttig omdat bij veel waterstofgerelateerde toepassingen oppervlakte- en ondergrondse reacties betrokken zijn. We konden zowel de waterstof- als deuteriumatomen in de nanofilm nauwkeurig lokaliseren.”

Alle deuteriumatomen – een isotoop van waterstof met een dubbele massa – bevonden zich op locaties in het titaniumkristal die bekend staan ​​als tetraëdrische posities. 11% van de aanwezige waterstofatomen bevond zich echter op plaatsen die als octaëdrisch worden beschreven. Uit berekeningen bleek dat het hebben van deze variatie in de locaties de symmetrie verlaagde, waardoor het rooster stabieler werd.

Omdat de deuteriumatomen geen octaëdrische plaatsen bezetten vanwege nucleaire kwantumeffecten, zou het regelen van de verhouding van waterstofisotopen kunnen worden gebruikt als een manier om de stabiliteit en eigenschappen van nanofilms af te stemmen op basis van de beoogde toepassing.

“Het kunnen onderscheiden van de twee isotopen in het hydride onthulde een mogelijkheid voor controle”, zegt Katsuyuki Fukutani, senior auteur. “Dit zal duidelijk belangrijke praktische toepassingen hebben voor het produceren van bepaalde door waterstof geïnduceerde verschijnselen.”

Het verbeterde begrip van titaniumhydride-nanofilms zal naar verwachting ook bijdragen aan waterstofopslag, vaste elektrolyten en heterogene katalysetoepassingen terwijl we op weg zijn naar praktische en veilige groene oplossingen voor de toekomst.