NIM, L'Università di Kyushu e l'Università di Kyoto hanno identificato congiuntamente un meccanismo mediante il quale un materiale ibrido composto da palladio (Pd) e strutture metallo-organiche (MOF) è in grado di immagazzinare circa il doppio di idrogeno rispetto a un materiale composto esclusivamente da Pd. La maggiore capacità di immagazzinamento dell'idrogeno del materiale ibrido è associata a un leggero cambiamento nel suo stato elettronico causato dal trasferimento di una carica elettrica, pari a circa 0,4 elettroni, dal Pd ai MOF. Il team di ricerca congiunto ha quindi determinato con successo le relazioni quantitative tra gli stati elettronici dei materiali e le loro proprietà di stoccaggio dell'idrogeno. Questi risultati possono facilitare lo sviluppo di nuovi materiali ibridi con proprietà di stoccaggio dell'idrogeno superiori o con la capacità di catalizzare in modo efficiente le reazioni di idrogenazione.

L'idrogeno è una valida fonte di energia di nuova generazione. L'uso diffuso dell'idrogeno richiederà metodi di stoccaggio dell'idrogeno efficienti. Metalli di transizione, come Pd, sono noti per possedere eccellenti proprietà di stoccaggio dell'idrogeno. Rapporti recenti hanno indicato che le capacità di stoccaggio dell'idrogeno dei materiali composti da nanoparticelle di metalli di transizione e MOF sono significativamente superiori a quelle dei materiali composti esclusivamente da un metallo di transizione. Era stato previsto che queste maggiori capacità di stoccaggio dell'idrogeno fossero associate al trasferimento di carica elettrica all'interfaccia tra i metalli di transizione ei MOF. Però, i meccanismi responsabili delle maggiori capacità di stoccaggio dell'idrogeno non sono stati compresi quantitativamente (ad es. l'importo del corrispettivo trasferito).

I ricercatori hanno studiato lo stato elettronico di un materiale ibrido, Pd@HKUST-1, composto da nanocubi di Pd e MOF (nello specifico, rame (II) 1, 3, 5-benzentricarbossilato, o HKUST-1) e in grado di immagazzinare circa il doppio della quantità di idrogeno di materiali composti esclusivamente da nanocubi di Pd. Per questa indagine, i ricercatori hanno utilizzato la linea di luce a raggi X di sincrotrone del NIMS a SPring-8, il più grande impianto di radiazione di sincrotrone del mondo. Inoltre, hanno calcolato separatamente gli stati elettronici di Pd e HKUST-1 e li hanno confrontati con lo stato elettronico di Pd@HKUST-1. Di conseguenza, hanno scoperto che una carica elettrica pari a circa 0,4 elettroni era stata trasferita dai nanocubi di Pd ai MOF. Questo piccolo trasferimento di carica presumibilmente ha permesso alle bande di elettroni nei nanocubi di Pd di immagazzinare più idrogeno, con conseguente capacità di stoccaggio dell'idrogeno approssimativamente raddoppiata per il materiale ibrido rispetto a un materiale composto esclusivamente da nanocubi di Pd.

I materiali ibridi composti da nanoparticelle di metalli di transizione e MOF sono potenzialmente in grado non solo di immagazzinare grandi quantità di idrogeno ma anche di catalizzare in modo efficiente reazioni di idrogenazione. I metodi sviluppati e utilizzati in questo studio per misurare e analizzare gli stati elettronici possono accelerare lo sviluppo di nuovi materiali ibridi con capacità catalitiche e di stoccaggio dell'idrogeno notevolmente aumentate.