Material som absorberar väte används för vätelagring och rening, fungerar således som ren energibärare. Den mest kända väteabsorbatorn, palladium, kan förbättras genom att legera den med guld.

Ny forskning ledd av University of Tokyo Institute of Industrial Science förklarar för första gången hur guld gör en sådan skillnad, vilket kommer att vara värdefullt för att finjustera ytterligare förbättringar.

Det första steget i vätelagring är kemisorption, varvid gasformig H2 kolliderar med palladium och adsorberar (fastnar) på ytan. För det andra, de kemisorberade H-atomerna diffunderar in i underytan, flera nanometers djup. En ny artikel publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) rapporterar att gruppen fokuserade på detta långsamma andra steg, vilket är flaskhalsen för den övergripande processen.

I rent palladium, bara runt 1 på 1, 000 av H2-molekylerna som kolliderar med metallen absorberar faktiskt in i det inre. Därav, endast dessa kan lagras som energibärare. Dock, när palladiumytan är legerad med guld, absorptionen är över 40 gånger snabbare.

Det är viktigt att få rätt mängd guld – väteabsorptionen maximeras när antalet guldatomer är något mindre än hälften (0,4) av ett enda monolager av palladium, enligt studien. Detta upptäcktes genom termisk desorptionsspektroskopi, och genom djupmätning av H-atomerna med användning av gammastrålning.

"Vi ville veta vilken roll guld spelar, ", säger den första författaren Kazuhiro Namba, säger Kazuhiro Namba. "Guldatomerna är mestadels på legeringsytan. Dock, våra resultat visade att vätgaslagringen förbättras även under detta djup, i rent palladium. Därför, guld måste påskynda diffusionen av väte till underytan, snarare än att förbättra dess löslighet."

Denna diffusion fungerar som en typisk kemisk reaktion - dess hastighet bestäms av energibarriären, det hinder som H -atomerna måste övervinna för att penetrera palladium. Barriärhöjden är gapet mellan energierna hos de kemisorberade H-atomerna och det övergångstillstånd de måste passera genom för att nå den första platsen under ytan.

Enligt beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT), guldatomerna destabiliserar kemisorberat väte, vilket ökar deras energi och minskar barriären. Genom att göra ytan till en mindre stabil miljö för H-atomer, detta uppmuntrar dem att snabbare tränga in på djupare platser, istället för att dröja vid ytan. Fotoemissionsspektroskopi tyder på att guldatomer trycker palladiumelektronernas energi nedåt, försvagar deras förmåga att kemisorbera väte.

Dock, de svagt kemisorberade H-atomerna är också mer benägna att helt enkelt desorbera från ytan; dvs. återgå till gasfasen. Denna oönskade process förklarar varför vätelagringen maximeras med bara 0,4 monolager guld - om något mer guld tillsätts, desorptionen av väte överskrider dess diffusion till palladium.

"Vår studie avslöjar, på elektronisk nivå, hur guldlegering styr väteabsorption, " säger medförfattaren Shohei Ogura. "Detta kommer att hjälpa oss att designa bättre material för lagring av väte, som kommer att spela en roll för koldioxidneutral energitransport, liksom fasta katalysatorer för kemiska reaktioner, som ofta är beroende av ytbundet väte."