Waterstofopname door één enkel nanodeeltje gemeten

Deze vondst van Andrea Baldi en zijn collega's is belangrijk voor de ontwikkeling van betere waterstofopslag en van geavanceerde lithium-ionbatterijen.

Trefwoorden: #DIFFER, #FOM, #lithium-ionbatterijen, #nanodeeltjes, #Stanford University, #waterstofopslag

Lees verder

research

ENGINEERINGNET.NL - Als een nanodeeltje palladium waterstof opneemt uit zijn omgeving trekt zijn uitzettende buitenkant het binnenste van het deeltje open, zodat er nóg sneller waterstof inloopt.

In Nature Materials beschrijven Andrea Baldi (Stanford University en het Nederlandse FOM-instituut voor funderend energieonderzoek DIFFER) en zijn collega's hoe dat gedrag afhangt van de afmetingen van het nanodeeltje.

Andrea Baldi: "Op de nanoschaal (miljardste meter; nm) geven kleine verschillen al enorm verschillend gedrag: dat biedt mogelijkheden voor wie een materiaal wil maken met eigenschappen op maat. In de praktijk blijkt het lastig om te bepalen welk nanodeeltje je precies nodig hebt".

"In reguliere experimenten meet je de eigenschappen van een verzameling van nanodeeltjes. Maar nanodeeltjes van 8 en 12 nm gedragen zich al heel verschillend. Veeg je die met een gemiddelde op één hoop, dan kom je er nooit achter welk gedrag bij welke afmetingen hoort."

Baldi's team van onderzoekers aan Stanford University besloot in te zoomen op afzonderlijke nanodeeltjes. Met de Environmental Transmission Electron Microscope van de universiteit konden ze als eerste ter wereld een individueel nanodeeltje doorlichten terwijl het waterstof opnam.


Links: In de Environmental Transmission Electron Microscope onderzoeken Andrea Baldi en zijn collega's individuele nanodeeltjes palladium.
Rechts: Palladium nanodeeltje op een substraat van koolstof. Door te meten hoe snel deeltjes van verschillende afmetingen waterstof opnemen en uitstoten konden de onderzoekers achterhalen hoe afmetingen van nanodeeltjes hun eigenschappen bepalen. Credit: Nature Materials / Baldi et.al.

De metingen van Baldi's team passen perfect in een voorspellend model over nanodeeltjes, dat nog niet eerder was getest. In het model neemt de buitenlaag van het deeltje als eerste waterstof op; daardoor zet het materiaal zo'n 10% uit.

"Terwijl de buitenlaag van het nanodeeltje uitzet, trekt die aan het materiaal aan de binnenkant. Daardoor ontstaat extra ruimte en wordt er nog sneller waterstof naar binnen gezogen", schetst Baldi. "Hoe kleiner een nanodeeltje, hoe groter de invloed van die buitenlaag is."

Het voorspellende model voor nanodeeltjes past niet alleen op waterstofopname, ook het gedrag van nanogestructureerde electrodes voor lithium-ionbatterijen kan ermee worden verklaard. "Daar was al van bekend dat de kleinere nanodeeltjes al bij een lagere spanning opladen dan grotere."

Andrea Baldi: "De echte doorbraak is hier dat we nu kunnen meten en voorspellen hoe de opname van waterstof door een nanodeeltje afhangt van zijn grootte, vorm en kristalstructuur."

"In vervolgonderzoek gaan we nog een stap verder: we willen binnen één nanodeeltje kijken hoe de waterstofconcentratie varieert tijdens het opnameproces. Daarmee krijgen we het mechanisme echt in de vingers."


(bron en foto's: DIFFER)