Observación directa de la ad- y desorción de átomos huéspedes en un huésped mesoporoso
Nuevos conocimientos sobre los materiales energéticos
Los electrodos de las baterías, los dispositivos de almacenamiento de gases y algunos materiales catalizadores tienen pequeños poros funcionales que pueden albergar átomos, iones y moléculas. La forma en que estos átomos invitados son absorbidos o liberados de los poros es crucial para entender la funcionalidad de los materiales porosos. Sin embargo, normalmente estos procesos sólo pueden observarse de forma indirecta. Un equipo del Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) ha empleado dos enfoques experimentales utilizando el instrumento ASAXS en la línea de rayos X PTB del sincrotrón HZB BESSY II para observar directamente el proceso de adsorción de átomos en un sistema modelo mesoporoso. El trabajo sienta las bases de nuevos conocimientos sobre este tipo de materiales energéticos.
A partir de los datos de las mediciones, el equipo pudo determinar que los átomos de xenón se acumulan primero en las paredes interiores de los poros (estado 1), antes de llenarlos (estado 2). El haz de rayos X penetra en la muestra desde abajo.
© M. Künsting/HZB
La mayoría de los materiales para baterías, catalizadores novedosos y materiales de almacenamiento de hidrógeno tienen algo en común: poseen una estructura formada por poros diminutos en el rango de los nanómetros. Estos poros proporcionan un espacio que puede ser ocupado por átomos, iones y moléculas invitados. Como consecuencia, las propiedades del huésped y del anfitrión pueden cambiar drásticamente. Comprender los procesos que tienen lugar en el interior de los poros es crucial para desarrollar tecnologías energéticas innovadoras.
Observación del proceso de llenado
Hasta ahora, sólo ha sido posible caracterizar con precisión la estructura de los poros de los materiales del sustrato. La estructura exacta del adsorbato dentro de los poros ha permanecido oculta. Para comprobarlo, un equipo del HZB, junto con colegas de la Universidad de Hamburgo, del Instituto Nacional de Metrología de Alemania PTB y de la Humboldt-Universität zu Berlin, combinó por primera vez dos métodos diferentes de rayos X aplicados in situ durante el llenado y vaciado del huésped poroso. De este modo, hicieron visible únicamente la estructura de los átomos huéspedes.
Sistema modelo: Silicio mesoporoso con xenón
El equipo examinó el proceso en un sistema modelo hecho de silicio mesoporoso. El gas noble xenón se puso en contacto con la muestra de silicio en una célula de fisisorción hecha a medida bajo control de temperatura y presión. Examinaron la muestra utilizando simultáneamente la dispersión anómala de rayos X de ángulo pequeño (ASAXS) y la espectroscopia de absorción de rayos X cerca del borde (XANES), cerca del borde de absorción de rayos X del xenón invitado. De este modo, pudieron registrar secuencialmente cómo migra el xenón a los poros. Pudieron observar que los átomos forman primero una capa monoatómica en las superficies interiores de los poros. Luego se añaden otras capas y sufren reordenamientos hasta que los poros se llenan. Queda claro que el llenado y el vaciado de los poros se producen a través de diferentes mecanismos con estructuras distintas.
Señal de los huéspedes de xenón extraídos
"Utilizando la dispersión de rayos X convencional (SAXS), se ve principalmente el material poroso, las contribuciones de los huéspedes son apenas visibles", dice Eike Gericke, primer autor del estudio, que está haciendo su doctorado en técnicas de rayos X. "Cambiamos esto utilizando ASAXS y midiendo 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, por lo que podemos extraer matemáticamente la señal de los huéspedes del xenón".
Visión empírica de la materia confinada
"Esto nos da por primera vez acceso directo a un área sobre la que antes sólo se podía especular", explica el Dr. Armin Hoell, autor correspondiente del trabajo. "Aplicar la combinación de estos dos métodos de rayos X al proceso permite ahora observar empíricamente el comportamiento de la materia confinada en nanoestructuras. Se trata de una nueva y poderosa herramienta para profundizar en los electrodos de las baterías, los catalizadores y los materiales de almacenamiento de hidrógeno."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Eike Gericke, Dirk Wallacher, Robert Wendt, Giorgia Greco, Michael Krumrey, Simone Raoux, Armin Hoell, and Simone Mascotto; "Direct Observation of the Xenon Physisorption Process in Mesopores by Combining In Situ Anomalous Small-Angle X-ray Scattering and X-ray Absorption Spectroscopy"; Journal of Physical Chemistry Letters (Open Access, 2021)
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