能量与信息存储的关键机制

理想的能量或信息存储系统是一种能够快速充放电、具有高容量并且可以永久使用的系统。纳米材料有望实现这些标准，但科学家们才刚刚开始了解它们具有挑战性的机制。

现在，斯坦福大学材料科学家和工程师团队对纳米材料的存储机制提供了新的见解，可以促进改进电池和存储设备的发展。

该团队由斯坦福大学材料科学与工程助理教授詹妮弗·迪昂(Jennifer Dionne)领导，成员包括安德里亚·巴尔迪(Andrea Baldi)、塔伦·纳拉扬(Tarun Narayan)和艾林·高(Ai Leen Koh)，研究了由钯组成的金属纳米颗粒如何吸收和释放氢原子。

此前，科学家们已经研究了金属纳米颗粒整体中的氢吸收，但这种方法很难推断出单个纳米颗粒如何表现的信息。这项新研究通过测量暴露在氢气压力增加下的单个钯纳米颗粒中的氢含量来揭示这种行为。

该小组的实验发现与最近提出的锂离子电池储能机制一致，强调了更广泛的科学界的兴趣。这项研究的详细内容发表在《自然材料》杂志的网络版上。

这一发现是通过使用专门的透射电子显微镜(TEM)实现的，该显微镜允许研究小组以接近原子尺度的分辨率检测氢进入纳米材料的过程。

“电子显微镜通常必须在高真空中进行，”合著者、斯坦福纳米共享设施的研究科学家Ai Leen Koh说。“但斯坦福大学环境TEM的独特功能消除了这一要求，可以在真空和浸泡在反应气体中对单个纳米颗粒进行研究。”

金属拉伸
研究人员合成了钯纳米立方体，然后将它们分散在一个非常薄的薄膜上。在将薄膜放入透射电镜后，工程师们让氢气流过钯纳米颗粒，并逐渐增加其压力。

在足够高的氢气压力下，气体分子在纳米立方体表面解离，单个氢原子进入钯晶体之间的空间。有趣的是，吸收和解吸过程似乎相当突然。

“你可以把它想象成爆米花，”联合主要作者塔伦·纳拉扬(Tarun Narayan)说，他是迪翁团队的研究生。“这是一个非常二元的过程，一个非常尖锐的转变。氢要么在钯中，要么不在钯中，它以可预测的压力进入和离开。这对于一个好的能量存储系统是非常重要的。”

当氢进入钯纳米结构时，材料的体积增加了约10%。这种膨胀显著地改变了粒子与电子束相互作用的方式;这种破坏表明了氢的吸收量。由于纳米立方体是单晶的，并且有效地从膜上“分离”，研究人员能够以前所未有的细节研究和测量存储机制。

迪翁团队的博士后研究员安德里亚·巴尔迪(Andrea Baldi)说:“你必须拉伸钯才能把氢放进去，但你必须付出能量才能让它拉伸。”“知道成本对于任何电池设计都是非常重要的，因为我们的纳米结构不粘在基板上，所以我们能够比以往任何时候都更准确地量化拉伸。”

下一个:钯球
尽管受到反复膨胀和收缩的压力，但钯的纳米晶体并未因氢的吸收和解吸而受损，而这通常发生在较大的样品中。

资深作者迪翁说:“在纳米尺度上，材料的表现与体积大不相同。”“它们增加的表面积与体积比会显著影响它们的机械灵活性，从而影响它们充电和放电离子或原子的能力。”

特别是，这项研究表明，纳米颗粒比散装材料更容易加载，压力也更低。此外，由于它们具有较高的抗弹性应力，这些材料中缺陷的形成受到抑制。

纳拉扬说:“我们的研究结果表明，这种大小的粒子即使与氢多次充电和放电也不会产生缺陷。”“其他研究人员也开始在锂离子电池研究中看到这一点，我们认为我们所学到的很多东西可以应用到这项研究中。”

钯的氢化反应具有储存速度快、稳定性好、装载方便等特点，是研究一般能量和信息储存机制的优良模型体系。然而，钯并不是一种广泛应用于能源储存的材料——它太重而且太贵了。然而，研究人员认为，这一结果可以在其他涉及将氢储存在金属中的系统中得到复制。

接下来的步骤包括将新开发的单颗粒方法应用于广泛的纳米结构(例如球体和棒)，以研究纳米颗粒的形状、大小和结晶度如何影响存储。此外，他们计划使用电子显微镜来确定原子或离子在单个纳米颗粒中被优先吸收的确切位置。

Dionne是斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)和SLAC国家加速器实验室的附属机构。这项研究得到了美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、美国能源部、青年能源科学家奖学金和海尔曼奖学金的资助。