Kleurrijke worsteling tussen zirkoon- en yttriumhydride.

‘Het is echt een toevalstreffer. Vaak willen wetenschappers zoiets niet weten, maar ik stel er prijs op dat het gezegd wordt’, begint de Delftse hoogleraar Bernard Dam. In zijn groep ontdekte postdoc Peter Ngene hoe je goedkope waterstofsensoren kunt maken van dunne yttriumfilms waaraan je een vleugje zirkoon toevoegt. De waterstofdruk waarbij ze beginnen te verkleuren, is instelbaar over een bereik van vijf ordegroottes. En die verkleuring is nog reversibel ook, zodat je de strookjes telkens opnieuw kunt gebruiken, stelden Ngene en Dam onlangs in Nature Communications.

Mengen ongewenst

Dat veel metalen met waterstof reageren tot hydrides, is op zich geen nieuws. Ook niet dat de evenwichtsdruk, waarbij dat proces op gang komt, afhangt van de thermodynamische stabiliteit van het hydride: hoe lager die is, des te meer druk je nodig hebt. In theorie moet je die druk dus kunnen instellen door de stabiliteit te beïnvloeden, wat vooral interessant is als je metaalhydrides wilt gebruiken als waterstofopslag. Maar in de praktijk wilde dat tot nu toe niet goed lukken.

Volgens Ngene, die nu in Utrecht werkt als universitair docent, was het probleem achteraf dat onderzoekers het probeerden met elementen die legeringen vormen en dus samen in één kristalrooster gaan zitten. ‘Je moet juist zoeken naar combinaties die dat niet doen.’ Yttrium en zirkoon zijn niet mengbaar, al staan ze vlak naast elkaar in het periodiek systeem. Röntgendiffractie­metingen suggereren dat ze in een dunne film wel een metastabiele continue fase kunnen vormen. Maar zodra er waterstof bij komt, krijg je zeker fasescheiding: zirkoonhydrideclusters van 1 à 2 nm diameter in een matrix van yttriumhydride.

En die relatief harde ZrH_x-clusters werken destabiliserend, omdat ze het yttriumhydride fysiek klemzetten. Dat valt vooral op tijdens de faseovergang van YH₂ naar YH₃: de eerste vorm is metallisch en de tweede is een isolator met een duidelijk andere kristalstructuur, en dat verschil zorgt voor de kleurverandering. Hoe meer ZrH_x, hoe meer het de beide YH_x-roosters comprimeert en hoe hoger de waterstofdruk oploopt, die nodig is voor deze faseovergang.

‘Je moet zoeken naar elementen die geen legeringen vormen’

En om vooralsnog onopgehelderde redenen blijkt de drukafhankelijkheid spectaculair groot: bij 0,1 % Zr treedt de kleuromslag op bij 0,1 mbar H₂, maar bij 13 % Zr wordt dat 10 bar. Leg strookjes yttrium met oplopende zirkoongehaltes naast elkaar en je kunt de heersende waterstofdruk nauwkeurig genoeg aflezen om lekken te detecteren of te controleren of er nog druk op je apparatuur staat.

Bijzonder is dat de ZrH_x-clustertjes netjes op hun plek blijven zitten in de yttriummatrix, ook wanneer de druk wegvalt en de waterstof weer ontwijkt. Hoe dat komt is nog niet duidelijk, aldus Dam. ‘Peter heeft het ook geprobeerd met een aantal aanpalende elementen, en die blijven lang niet zo goed kleven.’

Magnesium

Dam hoopt dat je een vergelijkbaar effect kunt bereiken bij magnesium. Dat vormt heel gemakkelijk hydrides en is daarom een populaire kandidaat voor waterstofopslag. De benodigde druk is veel lager dan wanneer je dezelfde hoeveelheid H₂ simpelweg samenperst tot hetzelfde volume, zodat je gascilinder minder dikke wanden hoeft te hebben. Het probleem is alleen dat MgHx net iets te stabiel is en de waterstof die de cilinder weer uit komt een veel te lage druk heeft. De uitdaging is nu om met een toevoeging aan het Mg die evenwichtsdruk voldoende te verhogen om een brandstofcel te kunnen voeden.