Röntgenstralen helpen onderzoekers nieuwe trucs te leren van oude metalen

Een onderzoeksteam onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) gebruikte krachtige röntgenstralen om een ​​nieuw begrip te ontsluiten van materialen die belangrijk zijn voor de productie en het gebruik van waterstof. Het doel is om de productie en het gebruik van waterstof efficiënter en goedkoper te maken, waardoor een betere brandstof wordt geboden voor transport en industrie.

“Efficiënte waterstofproductie is de sleutel”, zegt Hoydoo You, een senior natuurkundige uit Argonne. “Waterstof is het lichtste energieopslagmateriaal. Waterstof kan worden geproduceerd uit water met behulp van hernieuwbare energie of overtollige energie, getransporteerd als brandstof en weer omgezet in water om energie voor consumenten te produceren. Platina en zijn legeringen zijn het beste in het katalyseren en stimuleren van het water -splitsingsproces door de uitwisseling van elektronen te versnellen.”

Het begrijpen en ontwikkelen van materialen die efficiënte productie en gebruik van waterstof mogelijk maken, is essentieel voor de waterstofeconomie. De onderzoekers hebben een eerste stap gezet in het ontwikkelen van een tool waarmee ze de materialen met een nieuw detailniveau kunnen karakteriseren, waardoor uiteindelijk de beste materialen voor de productie en het gebruik van waterstof worden geproduceerd.

“Hierdoor wordt de productie en het gebruik van waterstof goedkoper en milieuvriendelijker”, zei U.

Het onderzoeksteam maakte gebruik van de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Argonne. Bij het APS richtten onderzoekers een intense röntgenstraal op een enkele korrel platina. Diffractiepatronen van die korrel werden verzameld op een röntgendetector. Die patronen werden omgezet in afbeeldingen van het monster met behulp van aangepaste computeralgoritmen.

Een nanodruppel chemische cel, gemaakt met een kleine pipetpunt (een hulpmiddel om een ​​kleine druppel vloeistof te maken), werd gebruikt om de chemische reactie op de platinakorrel te regelen om waterstof te produceren in een elektrolyseur. Een electrolyzer is een apparaat voor het produceren van waterstofbrandstof uit water met behulp van elektriciteit; het apparaat in een omgekeerde werking, bekend als een brandstofcel, zet waterstofbrandstof weer om in elektriciteit.

“De reactie werd gecontroleerd door spanning toe te passen, gericht door een elektrolyt in de nano-pipet op het graan dat werd bestudeerd”, zei natuurkundige Matt Highland uit Argonne. Hij ontwierp het eerste prototype van deze nieuwe tool. Dit prototype maakte het onderzoek van een enkele nanokorrel mogelijk en opende een deur voor scanmogelijkheden over alle korrels in een realistische elektrolyseur of brandstofcel wanneer de APS-upgrade is voltooid. Hij hielp ook met het verzamelen van gegevens en experimenten.

Argonne-natuurkundigen Ross Harder en Wonsuk Cha werkten bij de APS-bundellijn 34-ID-C, waar de experimenten werden uitgevoerd, en hielpen bij de integratie van de nieuwe elektrochemie-tool in het bestaande instrument.

“Het vermogen om gelokaliseerde elektrochemie uit te voeren en tegelijkertijd een nieuw beeld te creëren van de manier waarop dingen gebeurden, op het niveau van een enkel deeltje, was ongelooflijk,” zei Harder.

De APS levert momenteel röntgenbundels die tot een miljard keer helderder zijn dan die van een tandarts. Maar een uitgebreide upgrade zal de APS nog krachtiger maken. Wanneer de geüpgradede APS in 2024 online komt, zullen de röntgenstralen tot 500 keer helderder zijn dan nu. Dit betekent dat technieken zoals die in dit onderzoek zijn gebruikt, na de upgrade nog beter zullen worden.

“De APS-upgrade zal ons helpen dingen in realtime in het materiaal te zien gebeuren”, zei Harder. “Meettijden kunnen zo snel worden dat we van het ene deeltje naar het andere kunnen gaan, en we kunnen zien hoe ze interageren met de elektrochemische omgeving en met elkaar.”

“Belangrijke processen zoals het opladen van batterijen en corrosie vereisen real-time beeldvorming van korrels om een ​​volledig beeld van het proces te begrijpen”, zegt assistent-natuurkundige Dina Sheyfer van Argonne. “We geloven dat de toegevoegde helderheid van de APS-upgrade met onze nieuwe tool studies mogelijk maakt waar we vandaag alleen maar van kunnen dromen.”

Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nano-brieven.