Jakten på väte

Jakten på väte i högentropilegeringsbaserade metallhydrider med hjälp utav neutronspridning.

Forskare från Institutionen för kemi – Ångström inom programmet för oorganisk kemi vid Uppsala Universitet har, i samarbete med forskningsgrupper vid Institutet för energiteknik i Norge, Sandia-laboratoriet i USA och spallationskällan ISIS i Storbritannien, nyligen lokaliserat vätets plats i kristallstrukturen när den lämnar material baserat på högentropilegeringar.

Varför är det här intressant?

Väte ses idag som en av de mest lovande lösningarna när det gäller storskalig energilagring vid bytet av elproduktion från fossila till förnybara källor på grund utav sin goda tillgänglighet och höga energiinnehåll. Att lagra och hantera trycksatt vätgas kommer dock med ett antal utmaningar i form av säkerhetsaspekter då det är en brandfarlig gas, samt höga kostnader vid kompression. Man kan istället lagra vätgas i fasta material i exempelvis metaller och legeringar (så kallade metallhydrider), som ger flera fördelar inom områden som säkerhet och att man kan packa väteatomerna extremt tätt. Ett växande forskningsområde inom metallhydrider är material baserade på så kallade högentropilegeringar. Den näst intill oändliga rymd för kemiska sammansättningar som denna typ av legeringar erbjuder innebär att man i framtiden borde kunna designa kemiska sammansättningar som ger önskade egenskaper för applikationer när väte behöver tas upp och ges ifrån. Att utveckla denna typ av designregler kräver dock insikt i hur materialen är uppbyggda på atomär nivå, speciellt vilken position vätet har i dess kristallstruktur när väte tas upp eller ges ifrån.

Hur gör man det?

Väte är praktiskt taget helt osynligt för röntgenstrålar, vilket är an vanlig analysmetod vid studier av fasta material. Lyckligtvis är grundämnet väldigt synligt för neutroner ifall vi istället för vanligt väte använder dess tyngre isotop deuterium. Neutroner interagerar också väldigt lite med de flesta material, vilket tillåter oss att sätta in ytterligare analysutrustning i neutronstrålen. I detta fall skulle vi gärna kunna mäta massförlusten i materialet när deuterium lämnar med hjälp utav en våg. Att veta det exakta deuteriuminnehållet med hjälp av vikten i kombination med den strukturella informationen från neutrondiffraktionen gör det möjligt att ta reda på dess position i kristallstrukturen med mycket högre noggrannhet.

Experimentet utfördes på en serie av metalldeuterider baserade på högentropilegeringar med ökande kemisk komplexitet vid strålröret Polaris på ISIS neutronkälla nära Oxford i Storbritannien. Resultaten visade att det minst komplexa systemet (TIVNbDx) avger deuterium i ett enda steg, medans material som även har Zr och Hf i sig är mer komplexa. Vid tillsats av Zr föredrog till exempel deuterium att hoppa från ett hålrum i kristallstrukturen (med tetrahedral geometri) till ett annat (oktahedral geometri) innan det lämnar materialet. Vid vidare tillsats av Hf till ett femkomponentsystem ökade komplexiteten vid de sista stegen av reaktionen.

Läs hela studien här: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.0c03270