De snelheid waarmee een palladium-nanokristal waterstof absorbeert, hangt heel sterk af van de exacte afmetingen van dat deeltje. Dat blijkt uit onderzoek van de Stanford-universiteit, waarbij voor het eerst naar afzonderlijke kristalletjes is gekeken.

Het maakt tevens duidelijk dat eerdere experimenten, waarbij altijd werd gekeken naar een mix van ongelijke nanodeeltjes, de wetenschap enigszins op het verkeerde been hebben gezet.

“Nanodeeltjes van 8 en 12 nanometer gedragen zich al heel verschillend. Veeg je die met een gemiddelde op één hoop, dan kom je er nooit achter welk gedrag bij welke afmetingen hoort”, legt eerste auteur Andrea Baldi uit.

Zijn zojuist in Nature Materials gepubliceerde onderzoek is gebaseerd op het volgen van de oppervlakteplasmonresonantie van één zo’n nanokristal, met behulp van ‘electron energy loss spectroscopy’ (EELS) die zit ingebouwd in een transmissie-elektronenmicroscoop. Daarbij meet je in feite hoeveel energie de elektronenbundel verliest tijdens het opwekken van die resonantie.

Dat energieverlies is weer afhankelijk van het waterstofgehalte van het palladium. De kristalstructuur van puur Pd geeft een resonantiepiek bij 7,7 elektronvolt. Maar breng je het palladium in een waterstofatmosfeer en voer je de druk voldoende op, dan krijg je uiteindelijk palladiumhydride. Die fase-overgang gaat gepaard met een uitdijend kristalvolume en een zeer duidelijk zichtbare verschuiving van de piek naar 5,7 eV. Het effect is reversibel: pomp je de waterstof weer weg, dan krijg je je oorspronkelijke Pd-kristal terug, met bijbehorende 7,7 eV-piek.

Tot nu toe werd gedacht dat deze fase-overgang geleidelijk ging. Maar per kristal blijkt hij juist heel abrupt te verlopen. Alleen hangt de druk, waarbij dat gebeurt, sterk af van de deeltjesgrootte. Bovendien zit er nogal wat hysterese in: de druk waarbij je van palladium naar hydride gaat, is veel hoger dan de druk bij de terugweg - en dat verschil groeit óók naarmate de kristallen groter worden.

Baldi heeft daar een plausibele verklaring voor. De fase-overgang treedt het eerst op aan het oppervlak. De buitenste laag zwelt dus ook als eerste op, trekt daarbij aan het dieper gelegen palladium en creëert daardoor ruimte voor nog meer waterstof. Hoe kleiner het volume van het deeltje, hoe nadrukkelijker dit oppervlakte-effect er op doorwerkt.

De praktische consequentie zal wel zijn dat je je nanodeeltjes beter zo klein mogelijk kunt maken als je er waterstof in wilt opslaan. Tot nu toe was onduidelijk of dat echt iets uitmaakte.

Het onderzoek heeft een Nederlandse component. Baldi is door FOM gedetacheeerd bij Stanford als ‘visiting postdoc’, in het kader van de Young Energy Scientist Fellowships. Volgend jaar hoopt hij terug te keren naar Nederland om binnen het FOM-instituut Differ een eigen groep op te starten.

bron: FOM, Nature Materials