Elucidating the mechanism of MgB2 initial hydrogenation via a combined experimental–theoretical study

文献情報

出版日 2017-07-19
DOI 10.1039/C7CP03709K
インパクトファクター 3.676
著者

Keith G. Ray, Leonard E. Klebanoff, Jonathan R. I. Lee, Vitalie Stavila, Tae Wook Heo, Patrick Shea, Alexander A. Baker, Shinyoung Kang, Michael Bagge-Hansen, Yi-Sheng Liu, James L. White, Brandon C. Wood


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要旨

Mg(BH4)2 is a promising solid-state hydrogen storage material, releasing 14.9 wt% hydrogen upon conversion to MgB2. Although several dehydrogenation pathways have been proposed, the hydrogenation process is less well understood. Here, we present a joint experimental–theoretical study that elucidates the key atomistic mechanisms associated with the initial stages of hydrogen uptake within MgB2. Fourier transform infrared, X-ray absorption, and X-ray emission spectroscopies are integrated with spectroscopic simulations to show that hydrogenation can initially proceed via direct conversion of MgB2 to Mg(BH4)2 complexes. The associated energy landscape is mapped by combining ab initio calculations with barriers extracted from the experimental uptake curves, from which a kinetic model is constructed. The results from the kinetic model suggest that initial hydrogenation takes place via a multi-step process: molecular H2 dissociation, likely at Mg-terminated MgB2 surfaces, is followed by migration of atomic hydrogen to defective boron sites, where the formation of stable B–H bonds ultimately leads to the direct creation of Mg(BH4)2 complexes without persistent BxHy intermediates. Implications for understanding the chemical, structural, and electronic changes upon hydrogenation of MgB2 are discussed.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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