Forskning: Nytt sätt att visualisera väte på atomär skala i energilagringsmaterial

2021-09-24

Strålar av joner med hög energi används för att bestämma position och rörelse av vätekärnor i ett kristallgitter, vilket möjliggör utveckling av nya material för effektivt lagring av väte.

Snabba kvävejoner (blåa) framtagna med en tandemaccelerator reagerar med väte (röd) i kristallgittret (gul). Kvävejonerna guidas av atomerna i matrisen och rotationen av kristallen används för att avslöja vätekärnornas position i materialet på atomär skala (konstnärlig representation framtagen med hjälp av mjukvaran VESTA). Bild: Kristina Komander.

Väte som energibärare spelar en avgörande roll för att kunna skapa en fossilfri framtid. Men lagring av väte i flytande form är både ineffektivt och tekniskt krävande. En stor fråga inom forskningen är därför om det är möjligt att hitta ett material som uppvisar en hög och reversibel lagringskapacitet kombinerat med snabb omsättning.

Vanligtvis är väte också svårt att upptäcka, då det anses vara nästan osynligt för i stort sett alla direkta mätmetoder med elektroner eller röntgenstrålar och ännu svårare att kvantifiera och lokalisera utan att det påverkar materialet man vill undersöka.

En forskargrupp vid institutionen för fysik och astronomi har nu lyckats komma runt dessa utmaningar genom att använda sig av högenergetiska kvävejoner.

- Vi har använt oss av en sällsynt isotop av kväve, 15N. När partiklarna med hjälp av en tandemaccelerator uppnår tillräckligt höga energier kan kväve och väte genomgå en kärnreaktion som avger karakteristisk strålning, som är lätt att upptäcka, säger Kristina Komander, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi och försteförfattare till studien.

När jonstrålen är orienterad längs med större kristallaxlar eller kristallplan påverkas jonerna av styreffekter. Väteatomernas position i förhållande till atomraderna i värdmatrisen kan sedan kopplas till sannolikheten för en kärnreaktion för specifika experimentella geometrier.

- Först mäter vi mängden av den karakteristiska strålningen som avges från reaktionen mellan kväve och väte för ett antal olika orienteringar av materialet och jonstrålen. Med hjälp av Monte-Carlo-simuleringar kan vi spåra jonbanorna, vilket gör att vi otvetydigt och kvantitativt både kan identifiera var vätet är lokaliserat i materialet och hur det svänger på atomnivå, säger Daniel Primetzhofer, professor vid institutionen och föreståndare för Tandemlaboratoriet, där acceleratorn som används för studien finns.

Metoden har sedan använts av forskarna för att undersöka skiktsystem av övergångsmetaller som absorberar väte och därför är intressanta alternativ som lagringsmedium.

Forskningsresultaten ger nya verktyg för optimering av materialegenskaper som förbättrar lagringskapaciteten och laddningshastigheten av väte. De uppmätta datamängderna är också mycket relevanta som riktmärke för de många beräkningsmetoder som har utvecklats för att modellera vätets beteende i olika typer av material.

Artikelreferens

K. Komander, et al. (2021); Interstitial hydrogen in Fe/V superstructures: Lattice site location and thermal vibration, Physical Review Letters 127 (2021) 136102.

DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.136102