La maggior parte dei materiali della batteria, nuovi catalizzatori, e i materiali di stoccaggio per l'idrogeno hanno una cosa in comune:hanno una struttura composta da minuscoli pori nell'ordine dei nanometri. Questi pori forniscono spazio che può essere occupato da atomi ospiti, ioni, e molecole. Come conseguenza, le proprietà dell'ospite e dell'ospite possono cambiare drasticamente. Comprendere i processi all'interno dei pori è fondamentale per sviluppare tecnologie energetiche innovative.

Osservando il processo di riempimento

Finora, è stato possibile solo caratterizzare con precisione la struttura dei pori dei materiali del substrato. L'esatta struttura dell'adsorbato all'interno dei pori è rimasta nascosta. Per sondare questo, un team dell'HZB insieme ai colleghi dell'Università di Amburgo, dall'istituto nazionale di metrologia tedesco PTB, e Humboldt-Universität zu Berlin hanno combinato per la prima volta due diversi metodi a raggi X applicati in situ durante il riempimento e lo svuotamento dell'ospite poroso. Così facendo, rendevano visibile solo la struttura degli atomi ospiti.

Sistema modello:silicio mesoporoso con xeno

Il team ha esaminato il processo su un sistema modello realizzato in silicio mesoporoso. Lo xeno del gas nobile è stato portato a contatto con il campione di silicio in una cella di fisisorbimento su misura sotto controllo di temperatura e pressione. Hanno esaminato il campione utilizzando simultaneamente la spettroscopia di diffusione anomala di raggi X a piccolo angolo (ASAXS) e di assorbimento di raggi X vicino al bordo (XANES), vicino al bordo di assorbimento dei raggi X dello xeno ospite. In questo modo, sono stati in grado di registrare in sequenza come lo xeno migra nei pori. Hanno potuto osservare che gli atomi formano prima uno strato monoatomico sulle superfici interne dei pori. Ulteriori strati vengono aggiunti e subiscono riarrangiamenti fino a riempire i pori. Appare evidente che il riempimento e lo svuotamento dei pori procedono attraverso meccanismi diversi con strutture distinte.

Segnale degli ospiti Xenon estratto

"Utilizzando la diffusione di raggi X convenzionale (SAXS), si vede principalmente il materiale poroso, i contributi degli ospiti sono poco visibili, "dice Eike Gericke, primo autore dello studio, chi sta facendo il dottorato sulle tecniche a raggi X. "L'abbiamo cambiato usando ASAXS e misurato al limite di assorbimento dei raggi X dello xeno. Le interazioni tra lo xeno e il raggio di raggi X cambiano a questo bordo, così possiamo estrarre matematicamente il segnale degli ospiti allo xeno."

Approfondimento empirico sulla materia confinata

"Questo ci dà per la prima volta accesso diretto a un'area su cui in precedenza si poteva solo speculare, " spiega il dottor Armin Hoell, un corrispondente autore dell'articolo. "Applicare la combinazione di questi due metodi a raggi X al processo ora rende possibile osservare empiricamente il comportamento della materia confinata nelle nanostrutture. Questo è un nuovo potente strumento per ottenere informazioni più approfondite sugli elettrodi delle batterie, catalizzatori, e materiali di stoccaggio dell'idrogeno".