NIMS, L'Université de Kyushu et l'Université de Kyoto ont identifié conjointement un mécanisme par lequel un matériau hybride composé de palladium (Pd) et de structures métallo-organiques (MOF) est capable de stocker environ deux fois plus d'hydrogène qu'un matériau composé uniquement de Pd. La plus grande capacité de stockage d'hydrogène du matériau hybride est associée à un léger changement de son état électronique causé par le transfert d'une charge électrique - s'élevant à environ 0,4 électron - du Pd aux MOF. L'équipe de recherche commune a donc réussi à déterminer les relations quantitatives entre les états électroniques des matériaux et leurs propriétés de stockage d'hydrogène. Ces découvertes peuvent faciliter le développement de nouveaux matériaux hybrides avec des propriétés de stockage d'hydrogène supérieures ou avec la capacité de catalyser efficacement les réactions d'hydrogénation.

L'hydrogène est une source d'énergie viable de nouvelle génération. L'utilisation généralisée de l'hydrogène nécessitera des méthodes efficaces de stockage de l'hydrogène. Métaux de transition, comme Pd, sont connus pour posséder d'excellentes propriétés de stockage d'hydrogène. Des rapports récents ont indiqué que les capacités de stockage d'hydrogène des matériaux composés de nanoparticules de métaux de transition et de MOF sont nettement plus élevées que celles des matériaux composés uniquement d'un métal de transition. Il avait été prédit que ces capacités accrues de stockage d'hydrogène sont associées au transfert de charge électrique à l'interface entre les métaux de transition et les MOF. Cependant, les mécanismes responsables de l'augmentation des capacités de stockage d'hydrogène n'étaient pas quantitativement compris (p. le montant des frais transférés).

Les chercheurs ont étudié l'état électronique d'un matériau hybride, Pd@HKUST-1, qui est composé de nanocubes de Pd et de MOF (en particulier, cuivre(II) 1, 3, 5-benzènetricarboxylate, ou HKUST-1) et capable de stocker environ deux fois la quantité d'hydrogène de matériaux composés uniquement de nanocubes de Pd. Pour cette enquête, les chercheurs ont utilisé la ligne de faisceaux de rayons X synchrotron du NIMS à SPring-8, la plus grande installation de rayonnement synchrotron au monde. En outre, ils ont calculé séparément les états électroniques de Pd et HKUST-1 et les ont comparés à l'état électronique de Pd@HKUST-1. Par conséquent, ils ont découvert qu'une charge électrique d'environ 0,4 électron avait été transférée des nanocubes de Pd aux MOF. Ce petit transfert de charge a vraisemblablement permis aux bandes d'électrons des nanocubes de Pd de stocker plus d'hydrogène, résultant en une capacité de stockage d'hydrogène approximativement doublée pour le matériau hybride par rapport à un matériau composé uniquement de nanocubes de Pd.

Les matériaux hybrides composés de nanoparticules de métaux de transition et de MOF sont potentiellement capables non seulement de stocker de grandes quantités d'hydrogène, mais aussi de catalyser efficacement les réactions d'hydrogénation. Les méthodes développées et utilisées dans cette étude pour mesurer et analyser les états électroniques peuvent accélérer le développement de nouveaux matériaux hybrides avec un stockage d'hydrogène et des capacités catalytiques considérablement accrus.