La plupart des matériaux de batterie, nouveaux catalyseurs, et les matériaux de stockage de l'hydrogène ont une chose en commun :ils ont une structure composée de minuscules pores de l'ordre du nanomètre. Ces pores fournissent un espace qui peut être occupé par des atomes invités, ions, et des molécules. En conséquence, les propriétés de l'invité et de l'hôte peuvent changer radicalement. Comprendre les processus à l'intérieur des pores est crucial pour développer des technologies énergétiques innovantes.

Observer le processus de remplissage

Jusque là, il n'a été possible de caractériser précisément la structure poreuse des matériaux du substrat. La structure exacte de l'adsorbat à l'intérieur des pores est restée cachée. Pour sonder cela, une équipe du HZB avec des collègues de l'Université de Hambourg, de l'institut national de métrologie allemand PTB, et Humboldt-Universität zu Berlin ont combiné pour la première fois deux méthodes différentes aux rayons X appliquées in-situ lors du remplissage et de la vidange de l'hôte poreux. Ce faisant, ils ont rendu visible la structure des seuls atomes invités.

Système modèle :Silicium mésoporeux avec Xénon

L'équipe a examiné le processus sur un système modèle en silicium mésoporeux. Le gaz noble xénon a été mis en contact avec l'échantillon de silicium dans une cellule de physisorption sur mesure sous contrôle de température et de pression. Ils ont examiné l'échantillon en utilisant simultanément la spectroscopie de diffusion des rayons X aux petits angles (ASAXS) et d'absorption des rayons X (XANES) à la fois. près du bord d'absorption des rayons X du xénon invité. De cette façon, ils ont pu enregistrer séquentiellement comment le xénon migre dans les pores. Ils ont pu observer que les atomes forment d'abord une couche monoatomique sur les surfaces internes des pores. D'autres couches sont ajoutées et subissent des réarrangements jusqu'à ce que les pores soient remplis. Il devient clair que le remplissage et la vidange des pores procèdent par des mécanismes différents avec des structures distinctes.

Signal des invités Xenon extrait

"En utilisant la diffusion conventionnelle des rayons X (SAXS), vous voyez principalement le matériau poreux, les contributions des invités sont à peine visibles, " dit Eike Gericke, premier auteur de l'étude, qui fait son doctorat. sur les techniques de radiographie. "Nous avons changé cela en utilisant ASAXS et mesuré au bord d'absorption des rayons X du xénon. Les interactions entre le xénon et le faisceau de rayons X changent à ce bord, afin que nous puissions extraire mathématiquement le signal des invités xénon."

Aperçu empirique de la matière confinée

"Cela nous donne pour la première fois un accès direct à une zone sur laquelle on ne pouvait auparavant que spéculer, " explique le Dr Armin Hoell, un auteur correspondant de l'article. « L'application de la combinaison de ces deux méthodes aux rayons X au processus permet désormais d'observer empiriquement le comportement de la matière confinée dans les nanostructures. Il s'agit d'un nouvel outil puissant pour mieux comprendre les électrodes de batterie, catalyseurs, et des matériaux de stockage d'hydrogène.