NIMS, La Universidad de Kyushu y la Universidad de Kioto identificaron conjuntamente un mecanismo por el cual un material híbrido compuesto de paladio (Pd) y estructuras organometálicas (MOF) es capaz de almacenar aproximadamente el doble de hidrógeno que un material compuesto únicamente de Pd. La mayor capacidad de almacenamiento de hidrógeno del material híbrido está asociada con un ligero cambio en su estado electrónico provocado por la transferencia de una carga eléctrica, que asciende a aproximadamente 0,4 electrones, del Pd a los MOF. Por lo tanto, el equipo de investigación conjunto determinó con éxito las relaciones cuantitativas entre los estados electrónicos de los materiales y sus propiedades de almacenamiento de hidrógeno. Estos hallazgos pueden facilitar el desarrollo de nuevos materiales híbridos con propiedades superiores de almacenamiento de hidrógeno o con la capacidad de catalizar de manera eficiente reacciones de hidrogenación.

El hidrógeno es una fuente de energía viable de próxima generación. El uso generalizado de hidrógeno requerirá métodos de almacenamiento de hidrógeno eficientes. Metales de transición, como Pd, se sabe que poseen excelentes propiedades de almacenamiento de hidrógeno. Informes recientes indicaron que las capacidades de almacenamiento de hidrógeno de los materiales compuestos de nanopartículas de metales de transición y MOF son significativamente más altas que las de los materiales compuestos únicamente por un metal de transición. Se había predicho que estas mayores capacidades de almacenamiento de hidrógeno están asociadas con la transferencia de carga eléctrica en la interfaz entre los metales de transición y los MOF. Sin embargo, Los mecanismos responsables del aumento de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno no se entendieron cuantitativamente (por ejemplo, la cantidad de carga transferida).

Los investigadores investigaron el estado electrónico de un material híbrido, Pd @ HKUST-1, que se compone de nanocubos de Pd y MOF (específicamente, cobre (II) 1, 3, 5-bencentricarboxilato, o HKUST-1) y capaz de almacenar aproximadamente el doble de la cantidad de hidrógeno de los materiales compuestos únicamente por nanocubos de Pd. Para esta investigación, los investigadores utilizaron la línea de rayos X de sincrotrón de NIMS en SPring-8, la instalación de radiación de sincrotrón más grande del mundo. Además, calcularon los estados electrónicos de Pd y HKUST-1 por separado y los compararon con el estado electrónico de Pd @ HKUST-1. Como resultado, descubrieron que se había transferido una carga eléctrica de aproximadamente 0,4 electrones desde los nanocubos de Pd a los MOF. Esta pequeña transferencia de carga presumiblemente permitió que las bandas de electrones en los nanocubos de Pd almacenaran más hidrógeno, resultando en aproximadamente el doble de capacidad de almacenamiento de hidrógeno para el material híbrido en comparación con un material compuesto únicamente por nanocubos de Pd.

Los materiales híbridos compuestos de nanopartículas de metales de transición y MOF son potencialmente capaces no solo de almacenar grandes cantidades de hidrógeno sino también de catalizar de manera eficiente reacciones de hidrogenación. Los métodos desarrollados y utilizados en este estudio para medir y analizar estados electrónicos pueden acelerar el desarrollo de nuevos materiales híbridos con capacidades catalíticas y de almacenamiento de hidrógeno mucho mayores.