NIMS, Kyushu University och Kyoto University identifierade tillsammans en mekanism genom vilken ett hybridmaterial bestående av palladium (Pd) och metallorganiska ramverk (MOFs) kan lagra ungefär dubbelt så mycket väte som ett material som enbart består av Pd. Hybridmaterialets större vätelagringskapacitet är förknippad med en liten förändring i dess elektroniska tillstånd orsakad av överföringen av en elektrisk laddning - uppgående till cirka 0,4 elektroner - från Pd till MOF. Det gemensamma forskarteamet har därför framgångsrikt fastställt de kvantitativa sambanden mellan materialens elektroniska tillstånd och deras vätelagringsegenskaper. Dessa fynd kan underlätta utvecklingen av nya hybridmaterial med överlägsna vätelagringsegenskaper eller med förmågan att effektivt katalysera hydrogeneringsreaktioner.

Vätgas är en livskraftig nästa generations energikälla. Utbredd användning av väte kommer att kräva effektiva vätelagringsmetoder. Övergångsmetaller, såsom Pd, är kända för att ha utmärkta vätelagringsegenskaper. Nya rapporter indikerade att vätelagringsförmågan hos material som består av nanopartiklar av övergångsmetall och MOF är betydligt högre än för material som enbart består av en övergångsmetall. Det hade förutspåtts att dessa ökade vätelagringsförmåga är förknippade med överföringen av elektrisk laddning vid gränssnittet mellan övergångsmetallerna och MOF:erna. Dock, mekanismerna som är ansvariga för den ökade vätelagringskapaciteten förstods inte kvantitativt (t.ex. det överförda avgiftsbeloppet).

Forskarna undersökte det elektroniska tillståndet hos ett hybridmaterial, Pd@HKUST-1, som är sammansatt av Pd nanokuber och MOFs (specifikt, koppar(II) 1, 3, 5-bensentrikarboxylat, eller HKUST-1) och kan lagra ungefär dubbelt så mycket väte av material som enbart består av Pd-nanokuber. För denna utredning, forskarna använde NIMS synkrotronröntgenstrållinje vid SPring-8, världens största synkrotronstrålningsanläggning. Dessutom, de beräknade de elektroniska tillstånden för Pd och HKUST-1 separat och jämförde dem med det elektroniska tillståndet för Pd@HKUST-1. Som ett resultat, de fann att en elektrisk laddning uppgående till cirka 0,4 elektroner hade överförts från Pd-nanokuberna till MOF:erna. Denna lilla laddningsöverföring möjliggjorde förmodligen elektronbanden i Pd nanokuberna att lagra mer väte, vilket resulterar i ungefär fördubblad vätelagringskapacitet för hybridmaterialet jämfört med ett material som enbart består av Pd-nanokuber.

Hybridmaterial som består av nanopartiklar av övergångsmetall och MOF är potentiellt kapabla att inte bara lagra stora mängder väte utan också att effektivt katalysera hydrogeneringsreaktioner. De metoder som utvecklats och används i denna studie för att mäta och analysera elektroniska tillstånd kan påskynda utvecklingen av nya hybridmaterial med kraftigt ökad vätelagring och katalytisk förmåga.