X射线束帮助研究人员从旧金属中学习新技巧

由美国能源部(DOE)阿贡国家实验室领导的一个研究小组使用强大的X射线束来解锁对氢气生产和使用重要材料的新理解。目标是使氢气的生产和使用更高效、更便宜，为运输和工业提供更好的燃料。

“高效的制氢是关键，”阿贡高级物理学家Hoydoo You说。“氢是最轻的储能材料。氢可以使用可再生能源或多余的能量从水中生产，作为燃料运输，然后转化为水，为消费者生产能源。铂及其合金最擅长通过加速电子交换来催化和促进水分解过程。

了解和开发能够高效生产和使用氢气的材料是氢气经济的关键。研究人员在开发一种工具方面迈出了第一步，该工具使他们能够以新的细节水平表征材料，最终生产出用于氢气生产和使用的最佳材料。

“这将使氢气的生产和使用成本更低，更环保，”尤说。

研究小组利用了高级光子源(APS)，这是美国能源部位于阿贡的科学办公室用户设施。在APS工作，研究人员将强烈的X射线束对准一粒铂金。来自该颗粒的衍射图案是在X射线探测器上收集的。这些图案使用定制的计算机算法转换为样品的图像。

用微小的移液器尖端(一种制造小液滴的工具)创建的纳米液滴化学电池用于控制铂晶粒上发生的化学反应，以在电解槽中产生氢气。电解槽是一种利用电力从水中生产氢燃料的装置;反向操作中的设备称为燃料电池，将氢燃料转换回电能。

“反应是通过施加电压来控制的，通过纳米移液器中的电解质引导到正在研究的颗粒上，”阿贡物理学家Matt Highland说。他设计了这个新工具的初始原型。该原型能够研究单个纳米颗粒，并在APS升级完成后为扫描真实电解槽或燃料电池中的所有颗粒打开了一扇门。他还帮助进行数据收集和实验。

阿贡物理学家Ross Harder和Wonsuk Cha在APS光束线34-ID-C工作，在那里进行了实验，并帮助将新的电化学工具集成到现有仪器中。

“在单个粒子水平上进行局部电化学，同时创建事物发生方式的新图景的能力令人难以置信，”哈德说。

APS目前提供的X射线束比牙医使用的X射线束亮十亿倍。但是广泛的升级将使APS更加强大。当升级后的APS在2024年上线时，其X射线束将比现在亮500倍。这意味着像这项研究中使用的技术在升级后会变得更好。

“APS升级将帮助我们实时看到材料中发生的事情，”哈德说。“测量时间可以变得足够快，我们可以从一个粒子移动到另一个粒子，我们可以看到它们如何与电化学环境和彼此相互作用。

“电池充电和腐蚀等重要过程需要对颗粒进行实时成像，以了解该过程的全貌，”Argonne助理物理学家Dina Sheyfer说。“我们相信，使用我们的新工具升级APS升级的亮度将使我们今天只能梦想的研究成为可能。