NIMS, A Universidade de Kyushu e a Universidade de Kyoto identificaram em conjunto um mecanismo pelo qual um material híbrido composto de paládio (Pd) e estruturas metal-orgânicas (MOFs) é capaz de armazenar aproximadamente duas vezes mais hidrogênio do que um material composto exclusivamente de Pd. A maior capacidade de armazenamento de hidrogênio do material híbrido está associada a uma ligeira mudança em seu estado eletrônico causada pela transferência de uma carga elétrica - no valor de aproximadamente 0,4 elétrons - do Pd para os MOFs. A equipe de pesquisa conjunta, portanto, determinou com sucesso as relações quantitativas entre os estados eletrônicos dos materiais e suas propriedades de armazenamento de hidrogênio. Essas descobertas podem facilitar o desenvolvimento de novos materiais híbridos com propriedades superiores de armazenamento de hidrogênio ou com a capacidade de catalisar reações de hidrogenação de maneira eficiente.

O hidrogênio é uma fonte de energia de próxima geração viável. O uso generalizado de hidrogênio exigirá métodos eficientes de armazenamento de hidrogênio. Metais de transição, como Pd, são conhecidos por possuírem excelentes propriedades de armazenamento de hidrogênio. Relatórios recentes indicaram que as capacidades de armazenamento de hidrogênio de materiais compostos por nanopartículas de metal de transição e MOFs são significativamente maiores do que aquelas de materiais compostos apenas por um metal de transição. Foi previsto que essas capacidades aumentadas de armazenamento de hidrogênio estão associadas à transferência de carga elétrica na interface entre os metais de transição e os MOFs. Contudo, os mecanismos responsáveis ​​pelas capacidades aumentadas de armazenamento de hidrogênio não foram quantitativamente compreendidos (por exemplo, o montante da carga transferida).

Os pesquisadores investigaram o estado eletrônico de um material híbrido, Pd @ HKUST-1, que é composto de nanocubos de Pd e MOFs (especificamente, cobre (II) 1, 3, 5-benzenotricarboxilato, ou HKUST-1) e capaz de armazenar aproximadamente o dobro da quantidade de hidrogênio de materiais compostos apenas por nanocubos de Pd. Para esta investigação, os pesquisadores usaram a linha de luz de raios-X síncrotron do NIMS no SPring-8, a maior instalação de radiação síncrotron do mundo. Além disso, eles calcularam os estados eletrônicos de Pd e HKUST-1 separadamente e os compararam com o estado eletrônico de Pd @ HKUST-1. Como resultado, eles descobriram que uma carga elétrica de aproximadamente 0,4 elétrons foi transferida dos nanocubos de Pd para os MOFs. Esta pequena transferência de carga provavelmente permitiu que as bandas de elétrons nos nanocubos de Pd armazenassem mais hidrogênio, resultando em aproximadamente o dobro da capacidade de armazenamento de hidrogênio para o material híbrido em comparação com um material composto exclusivamente de nanocubos de Pd.

Materiais híbridos compostos de nanopartículas de metais de transição e MOFs são potencialmente capazes não apenas de armazenar grandes quantidades de hidrogênio, mas também de catalisar reações de hidrogenação de forma eficiente. Os métodos desenvolvidos e usados ​​neste estudo para medir e analisar estados eletrônicos podem acelerar o desenvolvimento de novos materiais híbridos com armazenamento de hidrogênio muito maior e capacidades catalíticas.