Structure-dynamics relationships in perovskite oxyhydrides and alkali silanides

Doctoral thesis, 2019

En bidragande faktor till de pågående klimatförändringarna är koldioxidutsläpp från bland annat bilavgaser. Ett miljövänligt alternativ till bensin/diesel som bränsle vore att använda vätgas för att driva bränsleceller - d.v.s. apparater som kan omvandla väte (H2) och syre (O2) till elektricitet (och vatten, H2O) och som ses som en av de viktigaste teknologierna för utvecklingen av ett mer hållbart samhälle.

I min forskning har jag studerat strukturen och vätedynamiken i hydridjonledande oxyhydrider med perovskitstruktur (BaTiO3-xHx). Genom att studera hur hydridjonerna rör sig igenom perovskitstrukturen kan man lära sig viktig grundläggande kunskap om vätetransport i perovskitmaterial. Denna nya kunskapen kan i sin tur spela en avgörande roll i utvecklingen av membranet för nästa generations bränsleceller, vilka är tänkta att bestå av protonledande perovskitstrukturerade oxider. Resultatet av min forskning visar att materialet är elektriskt ledande. Dessutom detekterades hydridjonsdiffusion redan vid låga temperaturer (-48 C) vilket sker med hjälp av syrevakanser i materialet. Dessa vakanser bidrar till en ökad diffusion vilket är av stor vikt att överväga när man utvecklar framtida jonledningsmaterial.

Om väte ska användas som framtidens bränslekälla är det också viktigt att fråga sig hur vätet ska förvaras, detta då det är både explosivt och tar stor plats när det är i gasfas. Ett sätt är att förvara det "inkorporerat" i ett fast material. I nuläget finns det inget material som uppfyller alla kraven, så som inkorporering av väte nära rumstemperatur, vid atmosfärstryck, samt reversibilitet. Dessa krav är av stor vikt för att vätelagringsmaterialet ska fungera så optimalt som möjligt tillsammans med bränselcellen. Dessutom bör andelen viktprocent väte vara högt i materialet. För att förbättra dessa egenskaper hos tänkbara vätelagringsmaterial är det därför viktigt att studera material som uppfyller ett optimum av kraven och implementera dessa kunskaper då man designar nya vätelagringsmaterial. Mitt forskningsprojekt har gått ut på att studerat vätedynamiken i alkaliska silanider (ASiH3), ett material som uppvisar goda vätelagringsegenskaper (4.3 wt.% väte reversibelt vid 131 C och vid ca 1 atm). Väteatomerna i ASiH3 uppvisar näst intill fri rörelse inom sin begränsade volym, en så kallad lokal diffusion. Detta är i likhet med hur jonen SiH3- beter sig i gasfas och förklarar varför ASiH3 kan inkorporera och avge väte under lågt tryck och vid låg temperatur. Dynamiken i ASiH3 är därför av intresse att efterlikna när man utvecklar nya vätelagringsmaterial.

De primära verktygen för mina studier har innefattat olika neutronspridningsinstrument,
som finns tillgängliga vid internationella neutronspridningsanläggningar. Neutronspridning är en mycket kraftfull metod för studier av vätedynamik och struktur i fasta material.