Transcript Slide 1
Spektroskopia neutronowa w protonice: jak i dlaczego Maciej Krzystyniak School of Science & Technology Nottingham Trent University Molecular Spectroscopy Group ISIS Pulsed Neutron & Muon Source Rutherford Appleton Laboratory Science and Technology Facilities Council Collaborators • F Fernandez-Alonso (STFC, UK) •NT Skipper (LCN-UCL, UK) •MJ Rosseinsky (Liverpool, UK) • C Cabrillo, FJ Bermejo (CSIC, Spain). • F Barroso-Bujans, J Colmenero (DIPC-UPV, Spain) • M-L Saboungi (CNRS, France) • RO Loutfy (MER Corporation, USA) Harwell Science & Innovation Campus • Spektroskopia neutronowa w pigulce. • Przyklady badan: – Szybkie przewodniki protonow. – Akumulatory protonow. • Stoichiometria. • Uwaga na mechanike kwantowa!. • Termodynamika I co dalej ?. • Perspektywy Neutrony jako probniki dynamiki molekularnej Neutron – – – – Photon Masa 1 amu Spin ½ Ladunek 0 Oddzialywanie jadrowe – – – – Masa spoczynkowa 0 amu Spin 1 Ladunek 0 Oddzialywanie E/B dipolowe … Neutrony termiczne(T = 300 K) – – – – – Energie (meV) Dlugosci fali (Å) Czastki neutralne Oddzialywanie jadrowe Spin wibracje, translacje i rotacje wiazania atomowe gleboka penetracja. punktowe probnik struktury magnetycznej Rozniczkowy przekroj czynny d 2 TOT dWdE 4 To sie mierzy! kf ki Theoria fizyki jadrowej.. Struktura I dynamika ! S Q, Kinematyka: zasada zachowania pedu f i W Ei and ki Zasada zachowania energii i pedu Jadro atomowe k 2m Q k k E i Ef i f 2 i k f2 Spektroskopia neutronowa Timescales [sec] -7 Photons 1x10 -11 to -11 1x10 1x10 -12 1x10 -13 1x10 -14 1x10 Infrared & Raman Spectroscopy Brillouin, THz & Raman Spectroscopy -15 1x10 -16 1x10 -17 1x10 Wysoki przekaz energii 1- 200 eV( Compton) VIS, UV, X-ray (not precisely equivalent) Neutrons Inelastic (lattice & intramolecular modes) Deep Inelastic Single-particle (Compton) Scattering Quasielastic (diffusion / tunnelling) elastic 0 10 line 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 Energy [meV] IRIS OSIRIS Sredni przekaz energii 10 -500 meV Niski przekaz energii (0-1meV, THz) Rownoczesna dyfrakcja i spektroskopia! Spektroskopia neutronowa: Q – dodany wymiar! r/ Å scatte ring 101 0 10 -1 E / meV 10 -2 10 -3 10 Brillouin scatte ring UT3 Mozliwosc -3 studiowania 10 Inelastic VUV-FEL -2 zaleznosci X-ray 10 przekroju- 1 Choppe r 10 czynnego od Q (skale 100 Multi-Chopper 1 przestrzenne 10 Inelastic Neutron dyfuzji). 2 10 Scattering 3 10 Backscattering -4 10 -5 -1 10 Spin Echo 4 10 105 t / ps 2 10 Raman 0 10 Infra-red 3 10 1 10 ctroscopy 10 2 10 SR 4 3 10 NMR 4 10 Wodor: przypadek specjalny Ogromne zastosowanie w chemii fizycznej (roztwory wodne,matryce organiczne I nieorganiczne, etc).. Czulosc sub-mmol H (nieosiagalna w spektroskopii i dyfrakcji rentgenowskiej). Nanochemia (duze S/V): mozliwosci studiowania adsorpcji w realistycznych warunkach... Niekoherentne rozpraszanie neutronow w jednym slajdzie… • Jakosciowo funkcja S(q,w) proporcjonalna do gestosci stanow • Brak regul wyboru (takich jak w spektroskopii optycznej czy Ramana..). Sinc Q, g exp Q U 2 2 TOT coth 2k T B 1 • Unikalnosc neutronow: probniki do eV oraz Q ~ Å: bardzo trudne a wrecz niemozliwe przy pomocy spektroskopii rentgenowskiej . • Neutrony to delikatne probniki: bezposredni dostep do realnych wlasnosci materialow…. Protonika Sladami dynamiki protonow w ukladach cialostalowych Ekonomia przyszlosci • • • • Bezposrednie i odnawialne zrodla energii (np. slonecznej). Wodor jako nosnik energii Spalanie wodoru w ogniwie paliwowym: efektywne I ekologiczne. Wyzwania: produkcja, magazynowanie I spalanie wodoru Jak dziala quasi elastyczne rozpraszanie neutronow (QENS) ? Dyfuzja protonow Widma QENS (a) 0.7 300K 675K 685K 700K 725K 1E-3 T=685K Q 0.6 Lorentzian FWHM [meV] 1E-4 1E-5 Stale dyfuzji… sinQR 1 QR 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Energy Transfer [meV] 0.2 0.4 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 -1 Q [Å ] Energetyka dyfuzji 15 Ea = 230±45 meV 12 2 -1 -0.2 9 +5 1E-6 -0.4 D [10 cm s ] Total Scattered Intensity 0.01 Mechanizmy transportu 6 1.30 1.35 1.40 +3 1.45 -1 1/T [10 K ] 1.50 …ale mozna robic tez dyfrakcje… (cialostalowe elektrolity in situ…) MSD – mobilnosc protonow window of opportunity Emulacja pracy ogniwa paliwowego w eksperymencie neutronowym… Wzrost mobilnosci protonow jeszcze przed przejsciem fazowym w 700C ! Jony hydroniowe w cialostalowym przewodniku protonow (H3O) SbTeO6 •Przewodnik protonow lepszy niz Nafion (10-1 S cm-1 w temp. pokojowej). •Struktura znana z dyfrakcji neutronowej. • Znaczne nieuporzadkowanie protonow ale mechanizm transportu nieznany... Hierarchia ruchow jonow H3O+ Trzy obszary: •Harmoniczny (T<200K). •Anharmoniczny (200K<T<300K). •Diffuzja (T>300K). Dyfuzja H3O+ 458K 378K 314K Mechanizm: •Niezalezne od szerokosci linii QENS: dyfuzja zlokalizowana wewnatrz kieszeni w strukturze krystalicznej •Przewodnictwo protonow jest aktywowane temperaturowo. Z. Phys. Chem. 224, 279 (2010). Dyfuzja H3O+ Quasielastic FWHM [eV] 256 High T: -1 lnA = 6.47±0.21 (attempt frequency of 0.49 ps ) Eact = 917±87 K = 79±7 meV 128 Low T: -1 lnA = 4.56±0.54 (attempt frequency of 0.07 ps ) Eact = 246±174 K = 21±14 meV 64 32 OSIRIS resolution 16 2.0 2.4 2.8 3.2 -1 1000/T [K ] •Zlokalizowana dyfuzja pokazuje dwie charakterystyczne energie aktywacji: 21 meV w niskich oraz 79 meV w wysokich temperaturach; • Crossover w 350K. •Jaki mechanizm? High T: -1 lnA = 6.47±0.21 (attempt frequency of 0.49 ps ) Eact = 917±87 K = 79±7 meV 128 Libracje H3O+ W polu krystalicznym. Low T: -1 lnA = 4.56±0.54 (attempt frequency of 0.07 ps ) Eact = 246±174 K = 21±14 meV 64 Neutron Energy Loss/cm 0 32 16 2.0 160 320 480 640 800 OSIRIS resolution 2.4 2.8 3.2 -1 1000/T [K ] Translacje calych jonow H3O+ zaczynaja dominowac • Translacje calych jonow hydronium poprzedzaja transport protonow. 960 -1 1120 0 20 40 60 80 100 120 140 Neutron Energy Loss/meV • Zmianiajac sile oddzialywania z polem krystalicznym mozna regulowac temperature, w ktorej zaczyna sie przewodnictwo protonow! 1280 1440 1600 (H3O)[SbTeO6] cooling H30SbTeO6 T=13K (H3O)[SbTeO6] T.lt.30K H30SbTeO6 T.lt.150K (H3O)[SbTeO6] T=150K [H3O][SbTeO6]. T=300K (H3O)[SbTeO6] T=320K (H3O)[SbTeO6] T=340K (H3O)[SbTeO6] T=380K S(Q,)/Arb. Units Quasielastic FWHM [eV] 256 Nieelastyczna spektroskopia neutronow (INS) a dyfuzja H3O+ 160 180 200 Jony hydroniowe w przewodnikach protonow: stan badan Co wiemy: • periodyczny ruch calych jonow hydronium (rattling mode) wewnatrz kawern w strukturze krystalicznej jest mechanizmem aktywujacym przewodnictwo protonow. Czego nie wiemy: •Nie ma dowodow na transport jonow hydronium pomiedzy kawernami (brak przewodnictwa hydronium ) •Przewodnictwo zaczyna sie po hydratacji probki – rola wody (perkolacja)? •W trakcie: eksperymenty QENS w hydratowanych probkach aby powiazac perkolacje z przeowdnictwem.. Zwiazki wegla jako akumulatory protonow Akumulatory protonow - porownanie Wyzwania: trzeba zwiekszyc oddzialywanie z substratem Challenges: odwracalnosc Mozliwosci adsorpcji wodoru przez materialy na bazie wegla Nano-wlokna weglowe • • • Trzy rzedy wielkosc roznic w adsorpcji. Brak wyraznych trendow. Brak modeli tlumaczacych adsorpcje w sposob zadawalajacy. Jak moze pomoc spektroskopia neutronowa? Wyzwania.. H2 to duza molekula (wielkosci wody) • Adsoprcja H2 jest niekorzystna termodynamicznie (Tc=33K; a chcemy magazynowac w temperaturze ~10Tc); • H2 slabo oddzialywuje z substratem... • Efekty kwantowe: zero point motion …. Handbook of Nanophysics (2010). H2 “quantum beast” Ciekle H2, T = 15K Rozne proporcje ortho/para -1 (a) Q = 0.4 Å 0.1 400 T=15K 2 n-H2 (para/ortho: 0.25/0.75); DT= 0.37±0.02 Å /ps 2 o-H2/p-H2 0.5/0.5; DT= 0.50±0.03 Å /ps -1 (b) Q = 0.6 Å 0.1 0.01 Lorentzian HWHM [eV] 0.01 300 200 100 -1 (c) Q = 0.8 Å 0.1 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 2 0.6 0.7 -2 Q [Å ] Dyfuzja H2 zalezy od spinu jadrowego 0.01 -150 0 150 300 450 600 750 900 Energy Transfer[eV] Cond. Mat. Phys. 11, 95 (2008). 0.8 0.9 1.0 Zwiazki interkalacyjne z udzialem metali alkalicznych W drugim etapie adsoprcja wodoru i tworzenie MGIC-(H2)m (m < 2). Adsorpcja wodoru w K-GIC w dyfrakcji neutronow Diffraction intensity [arb. units] Wzrost stalej sieci o okolo ~0.3Å w procesie adsorpcji. 2.80 pure KC24 KC24 (H2)0.25 KC24 (H2)0.5 KC24 (H2)1 KC24 (H2)2 KC24 (H2)6 2.85 2.90 2.95 d-spacing [Å] Phys. Rev. Lett. 101 126101 (2008). J. Chem. Phys. 129 (22) 224701 (2009). 3.00 3.05 Adsorpcja wodoru w K-GIC w QENS oraz INS J=2 (zabronione, symmetria) J=1 Molekula H2 jest zaadsorbowana ze swoboda rotacji. Jesli hipoteza rotacji zaadsorbowanych molekul wodoru jest poprawna to spodziewamy sie linii M=±1 przy okolo 50 meV (oddzielny eksperyment INS). GIC-H2 – czego nie wiemy? – INS: H2 zaadsorbowane ze swoboda rotacyjna, ale bariera na rotacje jest 100krotnie wyzsza niz dla swobodnego rotora H2. – Dyfrakcja: –Duzy wzrost stalej sieci GIC przy adsorpcji H2–substrat nie jest pasywny. Dlaczego? – Dane z dyfrakcji nie wskazuja na heksagonalna strukture miejsc adsorpcji H2 (zgodna z heksagonalnym ulozeniem atomow K) . Dlaczego? – adsorpcja daje tylko 2H2/K (spodziewamy sie 6) ? H2 w K-GIC: PW-DFT Electron density difference map red / blue = e- gain / loss • atomy K sa zjonizowane wewnatrz gelerii (K-GIC jest metaliczne). • geometria w ksztalcie litery T : dominuje oddzialywanie K-H2 . • transfer ladunku jest maly na powierzchni grafenu. Oddzialywanie K+- H2 H2 Odzialywanie kwadrupolowe + K+ QH2 VQ (R, ) 3 P2 (cos ) R R - + H2 zachowuje sie jak kwadrupol Swobodna rotacja H2 wokol osi symetrii K+- H2 . + DFT vs. dyfrakcja: wzrost stalej sieci podczas adsorpcjiH2 -2950.0 -2950.2 H2 K-GIC Energy Scan CASTEP, GGA-PBE -2981.8 -2950.4 -2982.0 Energy [eV] Total Electronic Energy [eV] -2981.6 K-GIC Energy Scan CASTEP, GGA-PBE -2950.6 Minimum: DFT: 5.43 Å Exp: 5.35±0.01 Å -2950.8 -2982.2 Minimum: DFT: 5.60 Å Exp: 5.64±0.01 Å -2982.4 -2982.6 -2951.0 -2982.8 -2951.2 -2983.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Gallery Spacing [Å] •DFT zgodne z danymi dyfrakcji ilosciowo. 4.5 5.0 5.5 6.0 Gallery Spacing [Å] 6.5 7.0 Energia potencjalna H2 w K-GIC – studium PW-DFT 200 DFT Radial Potential T-shaped; minimum-energy configuration 175 H2 K-GIC 150 + Energy [meV] K -H2 125 100 75 50 25 0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 + Distance K --- H2 [Å] 200 Librational Energy Elib [meV] Efektywny potencjal: scan, phi=0 (perp c-axis) scan, phi=90 (par c-axis) 180 V V (, ) V 1 1 sin2 sin2 V 160 140 120 Duza bariera (V=125 meV). Mala modulacja (V=25 meV) z powodu grafenu. 100 80 60 40 20 0 0 30 60 90 Angle [deg] 120 150 180 Popatrzmy na komorke elementarna • w obrebie komorki elementarnej trzy miejsca adsorpcji blisko siebie(~1.6 Å). • bariera na przeskoki jest stosunkowo niska ca. 20-25 meV. • Czy H2 jest zdelokalizowane pomiedzy tymi trzema miejscami adsorpcji (to by wyjasnialo adsorpcje 2H2/K zamiast 6) ? Comptonowskie rozpraszanie neutronow (NCS) 7 eV < < 90 eV 70 Å-1< q < 200 Å Comptonowskie rozpraszaniE neutronow (NCS) 2 ip r n p r e dr Comptonowskie rozpraszanie neutronow (NCS) Mozemy zrekonstruowac efektywny potencjal BO: n p r e ip r 2 dr p2 ip r n p e dp 2m V r E ip r n p e dp H2 w K-GIC – studium za pomoca Comptonowskiego rozpraszania neutronow (NCS) sample Intensity 0.3 1.4 H2KC24 (003) reflection Angle c-axis to transmitted beam o -50 o -25 o 0 o +25 o +50 1.2 Integrated Intensity 0.4 0.2 H2KC24 (003) reflection gauss: 12.51±0.28 o 1.0 0.8 0.6 0.4 0.1 0.2 0.0 2.7 2.8 2.9 3.0 d-spacing [Å] qˆH 3.1 3.2 0.0 -90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 Bragg detuning [deg] J ( y ; qˆ ) n( p ) ( y p qˆ ) beam JTOT ( y ) JVIB ( y ) JLIB ( y ) JTRANS ( y ) detector cˆ Faraday Discuss, in the press. J ( y ; qˆ ) Rozpraszanie Comptonowskie mierzy kwadrat funkcji falowej protonow w przestrzenii pedow (single-particle quantum diffraction). 75 90 Efekty adsorpcji w NCS Jak duza jest energia kinetyczna/potencjalna zaadsorboanego H2 w porownaniu ze swobodna molekula wodoru? (H2)KC24 T=1.5K 0.015 Normalized J(y;m=mp) H2 bulk 0.012 JTOT ( y ) JVIB ( y ) JLIB ( y ) JTRANS ( y ) 0.009 2 2 0.006 TOT 0.003 0.000 -0.003 -10 i i -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -1 Zaadsorbowane H2: Momentum Transfer [Å ] - Szerszy roklad energii kinetycznej: zwiekszone wiazanie; - Rozklad jest Gaussowski a nie anizotropowy jak w swobodnym wodorze; - DFT moze byc uzyte do interpretacji rozkladu pedow. Gorna granica energii oddzialywania H2-H2 z NCS 0.015 H2KC24, 0 deg (H2)2KC24, 0 deg 0.010 •Energia kinetyczna H2 nie zalezy od pokrycia (do x=2). 0.005 • Hierarchia oddzialywan: • Wibracje : 500 meV • Libracje: 50 meV • Translacja: 40 meV • Odzialywanie H2-H2: 10 meV 0.000 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -1 Momentum Transfer [Å ] 4.4 (H2)xKC24, 0-degree geometry 4.3 Coverage dependence 2 1/2 -1 [Å ] 4.2 <Q > Normalized J(y;m=mp) (H2.5)2KC24, 0 deg 4.1 4.0 3.9 Excess loading 0.5H2 (subcritical conditions) 3.8 0.0 0.5 1.0 1.5 Coverage x 2.0 2.5 3.0 Anizotropia rozkladu pedow H2 w K-GIC 6 H2KC24 (perpendicular) H2KC24 (experiment) H2KC24 (parallel) (H2)2KC24 (experiment) DFT phonon calculation 5 0.010 0.005 -1 H [Å ] Normalized J(y;m=mp) 0.015 4 0.000 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 3 -1 Momentum Transfer [Å ] Preferencyjna adsorpcja H2 ze swoboda rotacji wokol osi K – H2 potwierdzona. Anizotropia jest zancznie mniejsza niz to co daje BO PW – DFT (traktujac jadrowe stopnie swobody klasycznie). Wyrazne efekty kwantowe (tunelowanie, efekty wymiany i delokalizacja). Nie da sie unieruchomic H2 w ciele stalym! 2 -90 -60 -30 0 30 Q-c Angle [deg] 60 90 Perspektywy • Badania dynamiki wodoru w ukladach cialostalowych sa konieczne dla opracowania nowych akumulatorow protonow i ogniw paliwowych. • Spektroskopia I dyfrakcja neutronowa to unikalne narzedzie w tym kontekscie. • Protonika: – Spektroskopia I dyfrakcja neutronowa pozwalaja na analize mechanizmow przewodnictwa protonow. – Eksperymenty in situ w rzeczywistych warunkach pracy przewodnikow protonow. • Akumulatory protonow: – ZWIAZKI WEGLA: wciaz za mala energia wiazania wodoru przez substrat aby wykorzystac te zwiazki technologicznie. – EFEKTY KWANTOWE sa znaczne I wydaja sie byc bardzo niekorzystne dla adsorpcji wodoru. – SUBSTRAT NIE JEST PASYWNY W PROCESIE ADSORPCJI