Vätehaltiga ämnen är viktiga för många industrier, men forskare har kämpat för att få detaljerade bilder för att förstå elementets beteende. I granskning av vetenskapliga instrument, forskare visar kvantifieringen av väte för olika vattentillstånd - dvs. flytande, fryst och underkylt -- för tillämpningar på miljövänliga bränsleceller. Den här bilden visar Muriel Siegwart (höger) och Victoria Manzi (vänster) med testcellen som användes för experimenten. Kredit:Natasa Diklic, PSI
Vätehaltiga ämnen är viktiga för många industrier, men forskare har kämpat för att få detaljerade bilder för att förstå elementets beteende. I Granskning av vetenskapliga instrument forskare visar kvantifieringen av väte för olika vattentillstånd, dvs. flytande, fryst och underkylt – för tillämpningar på miljövänliga bränsleceller.
"Vår metod är inte begränsad till bränsleceller eller vatten. Det finns många föreningar i den kemiska industrin, inklusive elektrokemi, elektrolyter för batterier eller redoxflödesceller, som också innehåller väte, " sa lagledaren Pierre Boillat, från Paul Scherrer Institut i Schweiz.
När rent vatten kyls under noll grader Celsius, det bildar inte alltid is men kan förbli i en flytande form som kallas underkylt vatten. Detta fenomen förekommer i viss utsträckning i polymerelektrolytbränsleceller, och eftersom frysning och efterföljande volymexpansion av vatten är känt för att orsaka skada, det finns intresse för att förstå dessa vattentillstånd.
Det schweiziska laget använde strålar av neutroner för att undersöka insidan av en aluminiumväggig kalibreringscell. Neutroner studsade av vätet från H 2 O-molekyler i ett detekterbart mönster, som hur röntgenstrålar används för att avbilda ben. Boillats team har tidigare visat att de olika tvärsnitten av is och underkylt vatten vid lägre neutronenergier kunde användas för avbildningsändamål. De har förfinat processen för att producera bilder med oöverträffad kontrast.
"Vi utvecklade en metod som använder en hög arbetscykel av repetitiva pulser som är mycket breda, ger mycket starkare strålflöde, så att vi kan mäta snabbare och med bättre bildkvalitet, sade Boillat, som beskriver den så kallade högbelastningscykeln, mätningar av flygtiden, som hans team implementerade vid strållinjen av European Spallation Source-testuppsättningen i Helmholtz Zentrum Berlin i Tyskland.
Författaren Muriel Siegwart förklarade ökningen av mäthastigheten, från fem timmar till fem minuter, var avgörande för att följa en reaktions framsteg. Hon hoppas kunna öka hastigheten ytterligare, så att de kan spåra bildandet av is och efterföljande skador i bränsleceller.
Boillat lyfte fram hur teamets gränsöverskridande samarbeten var avgörande för att bekräfta experimentella fynd. Detta inkluderade samarbeten med neutrondetektorexperter vid University of California, Berkeley och teoretiska simuleringsexperter vid Neutronfysikavdelningen och Instituto Balseiro i Bariloche, Argentina.
"Vi observerade en viss påverkan av temperaturen på mätningarna men var inte säkra på om detta var en form av experimentell fördom. Det matchade perfekt med de teoretiska modellerna som bevisade att detta var en verklig effekt, sa Boillat.
Boillats team var också bland de första som experimentellt använde våglängdsrammultiplikationschoppersystemet, en förbättringsteknik som kommer att ingå i flera instrument vid European Spallation Source-anläggningen under uppbyggnad i Sverige. Utnyttja referensdata som erhållits med denna metod, teamet utvecklade ett teoretiskt ramverk som optimerar kontrast-brusförhållandet i förvärvade bilder. Teamet tillämpar detta ramverk för analys av litiumjonbatterier.
