Neutron scattering investigations of hydrogen dynamics in peculiar perovskite oxyhydrides

Upptäckter och utveckling av nya användbara material beror till stor del på en grundläggande förståelse om materials elementära egenskaper sådana som dess atomstruktur och atomära rörelser (dynamik). Sådan kunskap kan fås genom användandet av olika typer av experimentella och/eller teoretiska verktyg/tekniker. Ett speciellt kraftfullt sådant, med vilket information om både ett materials struktur och dynamik kan erhållas, är neutronspridning. Denna teknik bygger på att man bestrålar sitt material med en stråle av neutroner och sedan mäter dess riktning och hastighet före respektive efter spridningsögonblicket. På detta sätt kan neutronspridning ses som ett supermikroskop där man använder neutroner istället för ljus för att "se" på material. Detta är speciellt sant vad gäller väte (H) -innehållande material, eftersom neutroner interagerar mycket starkt med väte, mycket starkare än med alla andra atomslag. I detta sammanhang syftar det här forskningsprogrammet mot användandet av olika typer av neutronspridningsmetoder för att studera en nyuppkommen klass av väteinnehållande oxidmaterial, kallade perovskitoxyhydrider. Intressant här är att väteatomerna är negativt laddade, så kallade hydridjoner (H-), och att materialen uppvisar en ledningsförmåga med avseende på hydridjonerna. Frågan här är på vilket sätt hydridjonerna rör sig genom strukturen, och hur rörelserna beror på materialets kemiska sammansättning, temperatur, etc? Sådan information kan erhållas från detaljerade neutronspridningsmätningar och är inte enbart av intresse för materialklassen i fråga utan kan också spela en nyckelroll för utvecklingen av en fundamental och generisk förståelse för vätedynamik i perovskitstrukturerade oxidmaterial i allmänhet. Detta skulle inte endast vara av rent akademiskt intresse utan skulle också vara viktigt för utvecklingen av t.e.x. perovskitstrukturerade oxider med hög proton (H+) -ledningsförmåga, vilket i sig ses som ett kritiskt steg för utvecklingen av nästa generations miljövänliga medeltemeraturbränsleceller. Funktionen hos dessa apparater bygger på att protoner (H+) rör sig snabbt genom ett perovskitstrukturerat oxidmaterial, dock så har det visat sig svårt att utveckla material med tillräckligt hög protonledningsförmåga och till följd har det därför ännu inte varit möjligt att realisera och därmed kommersialisera teknologin. För detta ändamål, kan en ökad förståelse för vätedynamik i perovskitstrukturerade oxider förväntas vara en viktig pusselbit för framtida genombrott. Det föreslagna forskningsprogrammet är tvådelat och består av en materialsyntesdel och en neutronanalysdel och involverar främst forskargrupper verksamma vid Stockholms universitet och Chalmers tekniska högskola. Neutronspridningsmätningarna kommer utföras vid internationella, storskaliga, anläggningar, sådana som NIST i USA och ILL i Frankrike, medan komplementära studier med avseende på både kristallstruktur och dynamik kommer genomföras vid de två universiteten. Tillgängligheten till den stora instrumentparken tillsammans med väletablerade samarbeten med forskargrupper som bedriver komplementära forskningsprogram, inom exempelvis beräkningsstudier av struktur och dynamik i jonledande oxidsystem, formar en mycket bra infrastruktur för den planerade forskningen. Resultaten kommer att publiceras i vetenskapliga journaler och spridas via forskningsmöten, konferenser och seminarier. Vidare bör noteras att forskningsprogrammet innefattar två nya doktorander, som kommer tränas i olika typer av neutronspridningsmetoder och forskningsprogrammet kommer därför också bidra till kompetensförsörjningen inom området. Ur nationell synvinkel är det av stort intresse att öka antalet svenska användare och experter inom neutronspridning i och med de unika möjligheterna till materialforskning som kommer ges av nästa generations neutronspridningsanläggning, ESS, vilken kommer byggas i Lund och stå klar ungefär samtidigt som doktoranderna förväntas disputera. I sammanhanget bör man också notera att neutronspridningsmetoder inte endast är kraftfulla inom grundforskning utan även för mer tillämpad forskning inom exempelvis energi, material, medicin, och livsvetenskap. Det följer att doktoranderna efter avslutade studier kommer ha ett flertal karriärsmöjligheter och kan förväntas vara attraktiva för anställning vid ESS, men även för nyckelpositioner inom akademi och näringsliv.

Participants

Maths Karlsson (contact)

Docent vid Chalmers, Physics, Condensed Matter Physics

Collaborations

Stockholm University

Stockholm, Sweden

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding Chalmers participation during 2015–2018 with 3,670,000.00 SEK

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Latest update

2018-01-17