Onderzoekers van het Institute for Cell-Material Sciences (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto hebben een nieuwe benadering ontwikkeld om waterstofatomen te versnellen die bij lagere temperaturen door een kristalroosterstructuur bewegen.
"Het verbeteren van het waterstoftransport in vaste stoffen zou kunnen leiden tot duurzamere energiebronnen", zegt Hiroshi Kageyama van iCeMS die het onderzoek leidde.
Negatief geladen waterstof-'anionen' kunnen zeer snel door een vast 'hydride'-materiaal bewegen, dat bestaat uit waterstofatomen die aan andere chemische elementen zijn bevestigd. Dit systeem is een veelbelovende concurrent voor schone energie, maar het snelle transport gebeurt alleen bij echt hoge temperaturen, boven de 450 °C. Kageyama en zijn team hebben ontdekt hoe waterstofanionen bij veel lagere temperaturen nog sneller door een hydride kunnen reizen.
"In het verleden geloofde men dat de sleutel tot een hoge ionische geleidbaarheid bij lage temperatuur was om de hoge temperatuurfase van een materiaal te stabiliseren door chemische wanorde te introduceren", zegt Kageyama. Wetenschappers doen dit door zuurstofbevattende verbindingen, oxiden genaamd, aan de structuur toe te voegen. In plaats daarvan introduceerden Kageyama en zijn collega's een geordende structuur in een bariumhydridekristal, waardoor waterstofanionen aanzienlijk sneller konden bewegen, zelfs bij 200 ° C.
"Het bereiken van een hoge ionische geleidbaarheid bij lage temperaturen door de anionen te ordenen is ongekend en kan in de toekomst worden toegepast op verschillende ionische geleiders", zegt Kageyama.
Kageyama en zijn team veranderden de structuur van een typisch bariumhydride door aan weerszijden lagen aan te brengen die zijn samengesteld uit waterstof bevestigd aan een ander anion. Door dit te doen, maakten ze drie verschillende materialen, met behulp van bromide-, chloride- of jodide-anionen. Dit zorgde voor een meer geordende structuur aan het oorspronkelijke materiaal, waardoor het niet veranderde van het zeer stabiele en symmetrische zeshoekige rooster dat gewoonlijk bij hoge temperaturen wordt aangetroffen, naar een minder stabiele orthorhombische structuur als het afkoelde. Waterstofanionen verplaatsten zich zeer snel door het georganiseerde rooster bij 200°C. Het materiaal geleidde de waterstofanionen zelfs bij kamertemperatuur, zij het met een langzamere snelheid.
"Verbetering van de geleidbaarheid van waterstofanionen tot in de kamer" temperaturen zou de werking van elektrochemische apparaten, zoals brandstofcellen, bij lage temperatuur mogelijk maken en wegen openen voor hun gebruik als industriële katalysatoren of als vaste waterstofbronnen voor hydrogeneringsreacties”, zegt Kageyama.