Stående vid WAND2-instrumentet, forskare (från vänster till höger) Michael Heere och Yaroslav Filinchuk med ORNL strållinjeforskarna Matthias Frontzek och Simon Kimber. Kredit:ORNL/Jeremy Rumsey
Att separera gaser som väte från större föreningar i luften är en viktig del av tillverkning och energiproduktion. Men det är också en dyr process, kräver stora mängder energi och ett komplicerat nätverk av tunga maskiner för att vara lönsam.
Yaroslav Filinchuk, en professor i kemi från Université Catholique de Louvain, Belgien, och Michael Heere, en forskare från Karlsruhe Institute of Technology och dotterbolag till forskningsreaktorn Forschungsreaktor München II i München, Tyskland, kan ha en lösning på detta problem. Genom att använda neutronspridning vid Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Filinchuk och Heere undersöker ett material som kan förändra sättet vi skördar värdefullt industrimaterial på.
"Vi har ett unikt material. Det är det första porösa metallhydridmaterialet i sin unika klass, " sa Filinchuk. "Vi har ett prov här [Mg(BH 4 ) 2 ], och vi försöker utsätta den för olika gaser för att se om vi bättre kan förstå hur den absorberar dessa gaser."
En komplex metallhydrid är ett sammansatt material som består av sammanbundna atomer av väte och metall. Metallhydrider är vanliga i vissa batterier, där de används för att lagra väte. Men porerna i magnesiumborhydrid gör det till ett särskilt bra verktyg för vätelagring, vilket gör att ämnet kan ta in en enorm mängd väte – mer än dubbelt så mycket som det finns i flytande väte. Vad mer, dessa porer har den perfekta storleken för att filtrera molekyler som krypton och xenon från varandra eller från större föreningar, potentiellt eliminera behovet av den tunga kylutrustning som för närvarande används för att kyla, fånga, separat, och lagra industrigaser.
"När du har något som kan lagra så mycket väte och potentiellt isolera värdefulla industrigaser, det är ganska spännande, sa Heere.
Neutroner är särskilt väl lämpade för denna typ av forskning eftersom de kan djupt penetrera komplexa metallhydrider som Mg(BH) 4 ) 2 och är extremt känsliga för lätta element som väte.
Använder den nyligen uppgraderade vidvinkelneutrondiffraktometern (WAND 2 ), strållinje HB-2C, vid ORNL:s högflödesisotopreaktor (HFIR), Filinchuk och Heere kan exakt lokalisera vätemolekyler när de interagerar med materialets yta, även när dessa partiklar är skymd av större atomer i metallhydridföreningen.
"Detta är en ny typ av experiment för oss. Vi kan studera dessa interaktioner i oöverträffad detalj på grund av de uppgraderingar vi gjort, som inkluderar installation av en ny detektor, som har förbättrat instrumentets effektivitet med en faktor 15, " sa instrumentforskaren Matthias Frontzek.
"Neutroner ger oss ett riktigt bra intryck av vad som händer med vårt ämne och de gaser vi utsätter det för. Vi kan se molekyler gå in och ut ur Mg(BH) 4 ) 2 porer som nycklar passerar genom ett lås, " tillade Filinchuk.
Detta experiment är särskilt utmanande, med ett antal unika tekniska risker som ORNL-personalen var tvungen att ta hänsyn till när de hjälpte Filinchuk och Heere att förbereda sitt projekt.
"Oak Ridge National Lab är den sortens plats där du kan få dessa komplicerade experiment att hända. Människor är villiga att investera tid för att hjälpa användare att göra utmanande vetenskap på ett säkert sätt, " förklarade instrumentforskaren Simon Kimber.
Medan Filinchuk och Heere noterar att det fortfarande finns mycket mer forskning att göra innan de har en heltäckande förståelse för vad Mg(BH) 4 ) 2 är kapabel till, de hoppas att deras data kommer att ha effekt.
"Vi vill gärna ge ett meningsfullt bidrag inte bara till industrin, men också till området materialvetenskap i allmänhet, sa Heere.
