Palladium Under Pressure: Multiscale Modeling of Nanoalloys for Hydrogen Sensing
Doktorsavhandling, 2025

Pd nanoalloys offer a spark-free, plasmonic, and highly tunable platform for H2 sensing, which is a crucial aspect of a safe hydrogen economy. Owing to a fortunate combination of thermodynamic and optical properties, Pd nanoparticles rapidly absorb H2, which induces a measurable optical shift. Pure Pd sensors suffer, however, from issues such as hysteresis during hydrogenation and CO poisoning. Alloying with Au and Cu have been found to mitigate these issues, but introduces challenges related to long-term stability and performance.

The vast configurational space accessible through alloying and nanostructuring makes computational modeling an efficient route to understand and optimize nanoalloys for H2 sensing. This thesis develops multiscale models to better understand the optical and thermodynamic properties of Pd nanoalloys for H2 sensing, anchored at the atomic scale via first-principles calculations.

The effect of alloying Pd with Au and Cu on the surface composition and adsorbate coverages under different environments is studied via cluster expansion models. It is found that Pd segregates to the surface in H2 and CO environments, due to strong adsorption, while Au segregates to the surface under vacuum conditions. Cu shows a more complex behavior, with a non-trivial preference for the subsurface layer under most conditions, and only modest presence in the top surface layer. The H–CO coadsorption behavior is primarily governed by the fabrication conditions, dictating whether Pd or Au segregates to the surface, while tuning the exact bulk alloy composition has only a minor effect. The experimentally observed role of Cu in mitigating CO poisoning must therefore go beyond adsorption thermodynamics, potentially by providing energetically feasible H absorption paths through the surface when the energetically most favorable paths are blocked by CO.

The H sensitivity of nanodisk devices is optimized by combining atomic-scale dielectric functions with continuum electrodynamic simulations of nanoalloy structures. Single disk simulations suggest that the H-induced plasmon shift is limited by an interplay between localized surface plasmonic resonances and interband transitions. In addition, a computational platform for designing optimal nanoarray-based sensors for specific targets is presented, paving the way for future efforts in multiplexed sensor design.

Bayesian optimization

Hydrogen sensing

surface segregation

nanoalloys

surface phase diagram

Palladium

CO poisoning

coadsorption

nanoplasmonics

PJ-salen, Fysikgården 2, Göteborg
Opponent: Associate Professor Milica Todorovic, University of Turku, Finland

Författare

Pernilla Ekborg-Tanner

Chalmers, Fysik, Kondenserad materie- och materialteori

Construction and Sampling of Alloy Cluster Expansions—A Tutorial

Prx Energy,;Vol. 3(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Hydrogen-driven surface segregation in Pd alloys from atomic-scale simulations

Journal of Physical Chemistry C,;Vol. 125(2021)p. 17248-17260

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ekborg-Tanner, P., Erhart, P. Competing Adsorption of H and CO on Pd-alloy Surfaces: Mechanistic Insight into the Mitigating Effect of Cu on CO Poisoning

Computational Design of Alloy Nanostructures for Optical Sensing of Hydrogen

ACS Applied Nano Materials,;Vol. 5(2022)p. 10225-10236

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ekborg-Tanner, P., Theodoridis, A., Fritzsche, J., Langhammer, C., Baldi, A., Erhart, P. Bayesian Optimization of PdAu Metasurfaces for Hydrogen Sensing: From First-principles Calculations to Device

Vätgasdetektering med Palladiumbaserade Nanomaterial  

Vätgas föreslås utgöra den primära energibäraren i en framtida såkallad vätgasekonomi. På grund av dess explosivitet är en grundförutsättning för ett sådant system att snabbt och säkert kunna detektera eventuella läckage. I denna avhandling undersöks hur nanomaterial av palladiumlegeringar kan användas som optiska sensorer för att detektera små mängder vätgas. När väte absorberas i palladium förändras materialets optiska egenskaper, vilket kan utnyttjas för att skapa sensorer som, i princip, skiftar färg på ett mätbart sätt.

Genom att kombinera kvantmekaniska beräkningar, statistisk termodynamik och elektrodynamiska simuleringar studeras både hur väte interagerar med materialet och hur detta påverkar ljusets växelverkan med nanostrukturerna. I synnerhet undersöks mekanismen bakom hur legering med guld och koppar gör sensorerna motståndskraftiga mot kolmonoxid och hur nanostrukturerna ska utformas för att optimera sensorfunktionen. Resultaten bidrar till en djupare förståelse av hur optiska vätesensorer kan designas och optimeras, och visar hur kombinationen av materialvetenskap, avancerade beräkningsmetoder och optimering kan driva utvecklingen av säkrare och mer effektiva energiteknologier.

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Atom- och molekylfysik och optik

Den kondenserade materiens fysik

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Materialvetenskap

DOI

10.63959/chalmers.dt/5807

ISBN

978-91-8103-350-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5807

Utgivare

Chalmers

PJ-salen, Fysikgården 2, Göteborg

Opponent: Associate Professor Milica Todorovic, University of Turku, Finland

Mer information

Senast uppdaterat

2025-12-18