Als een nanodeeltje palladium uit zijn omgeving waterstof opneemt, trekt zijn uitzettende buitenkant het binnenste van het deeltje open, zodat er nóg sneller waterstof inloopt. In Nature Materialsbeschrijven Andrea Baldi (Stanford University/FOM-instituut voor funderend energieonderzoek Differ) en zijn collega’s hoe dat gedrag afhangt van de afmetingen van het nanodeeltje. De vondst is belangrijk voor de ontwikkeling van betere waterstofopslag en van geavanceerde lithium-ionbatterijen.
Op de nanoschaal (een miljardste meter) geven kleine verschillen al enorm verschillend gedrag: dat biedt mogelijkheden voor wie een materiaal wil maken met eigenschappen op maat. In de praktijk blijkt het lastig om te bepalen welk nanodeeltje je precies nodig hebt, vertelt eerste auteur Andrea Baldi: “In reguliere experimenten meet je de eigenschappen van een verzameling van nanodeeltjes. Maar 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.”
Baldi’s onderzoeksteam aan Stanford University besloot in te zoomen op afzonderlijke nanodeeltjes. Met de Environmental Transmission Electron Microscope van de universiteit konden ze als eerste ter wereld een individueel nanodeeltje doorlichten terwijl het waterstof opnam.
Uitzettende buitenlaag
De metingen van Baldi’s team passen perfect in een voorspellend model over nanodeeltjes, dat nog niet eerder was getest. In het model neemt de buitenlaag van het deeltje als eerste waterstof op; daardoor zet het materiaal zo’n 10% uit. “Terwijl de buitenlaag van het nanodeeltje uitzet, trekt die aan het materiaal aan de binnenkant. Daardoor ontstaat extra ruimte en wordt er nog sneller waterstof naar binnen gezogen”, schetst Baldi. “Hoe kleiner een nanodeeltje, hoe groter de invloed van die buitenlaag is.”
Het voorspellende model voor nanodeeltjes past niet alleen op waterstofopname, ook het gedrag van nanogestructureerde elektrodes voor lithium-ionbatterijen kan ermee worden verklaard. “Daar was al van bekend dat de kleinere nanodeeltjes al bij een lagere spanning opladen dan grotere.”
Andrea Baldi: “De echte doorbraak is hier dat we nu kunnen meten en voorspellen hoe de opname van waterstof door een nanodeeltje afhangt van zijn grootte, vorm en kristalstructuur. In vervolgonderzoek gaan we nog een stap verder: we willen binnen één nanodeeltje kijken hoe de waterstofconcentratie varieert tijdens het opnameproces. Daarmee krijgen we het mechanisme echt in de vingers.”
Young Energy Scientist
Dr. Andrea Baldi ontving in 2010 één van de vijf Young Energy Scientist Fellowships van FOM. Met de beurs kunnen getalenteerde energieonderzoekers een aantal jaar naar het buitenland om daar onderzoek te doen aan een topinstituut. Daarna keren ze terug naar Nederland om hier een eigen onderzoeksgroep op te richten. Baldi promoveerde aan de Vrije Universiteit en was van 2011 t/m 2014 lid van de onderzoeksgroep Metamaterials van Jennifer Dionne aan Stanford University. In 2015 verhuist hij terug naar Nederland om bij het FOM-instituut voor funderend energieonderzoek Differ een groep te starten op het gebied van opslag en omzetting van duurzame energie.
