La mayoría de los materiales de la batería, nuevos catalizadores, y los materiales de almacenamiento de hidrógeno tienen una cosa en común:tienen una estructura compuesta de poros diminutos en el rango nanométrico. Estos poros proporcionan espacio que puede ser ocupado por átomos invitados, iones, y moléculas. Como consecuencia, las propiedades del huésped y del anfitrión pueden cambiar drásticamente. Comprender los procesos dentro de los poros es fundamental para desarrollar tecnologías energéticas innovadoras.

Observando el proceso de llenado

Hasta aquí, sólo ha sido posible caracterizar con precisión la estructura de poros de los materiales del sustrato. La estructura exacta del adsorbato dentro de los poros permanece oculta. Para probar esto, un equipo del HZB junto con colegas de la Universidad de Hamburgo, del instituto nacional de metrología de Alemania PTB, y Humboldt-Universität zu Berlin combinaron por primera vez dos métodos de rayos X diferentes aplicados in situ durante el llenado y vaciado del anfitrión poroso. Haciéndolo, hicieron visible la estructura de los átomos invitados solamente.

Sistema modelo:silicio mesoporoso con xenón

El equipo examinó el proceso en un sistema modelo hecho de silicio mesoporoso. El xenón de gas noble se puso en contacto con la muestra de silicio en una celda de fisisorción hecha a medida bajo control de temperatura y presión. Examinaron la muestra mediante espectroscopía de dispersión anómala de rayos X de ángulo pequeño (ASAXS) y de absorción de rayos X de estructura cercana al borde (XANES) simultáneamente, cerca del borde de absorción de rayos X del xenón invitado. De este modo, pudieron registrar secuencialmente cómo el xenón migra hacia los poros. Pudieron observar que los átomos primero forman una capa monoatómica en las superficies internas de los poros. Se agregan más capas y se someten a reordenamientos hasta que se llenan los poros. Queda claro que el llenado y vaciado de los poros se realiza a través de diferentes mecanismos con distintas estructuras.

Señal de los invitados Xenon extraída

"Utilizando la dispersión de rayos X convencional (SAXS), se ve principalmente el material poroso, las contribuciones de los invitados son apenas visibles, "dice Eike Gericke, primer autor del estudio, que está haciendo su doctorado. sobre técnicas de rayos X. "Cambiamos eso usando ASAXS y medimos en el borde de absorción de rayos X del xenón. Las interacciones entre el xenón y el haz de rayos X cambian en este borde, para que podamos extraer matemáticamente la señal de los invitados de xenón ".

Visión empírica de la materia confinada

"Esto nos da por primera vez acceso directo a un área sobre la que anteriormente solo se podía especular, "explica el Dr. Armin Hoell, un autor correspondiente del artículo. "La aplicación de la combinación de estos dos métodos de rayos X al proceso permite ahora observar empíricamente el comportamiento de la materia confinada en nanoestructuras. Esta es una nueva herramienta poderosa para obtener conocimientos más profundos sobre los electrodos de las baterías, catalizadores, y materiales de almacenamiento de hidrógeno ".