TOTAL SCATTERING TECHNIQUES FOR INVESTIGATIONS OF DISORDER IN THE SOLID STATE

Hydrogen vill bli en viktig energibærer i den fremtidige energikjeden basert på fornybare kilder. Hydrogenlagring i fast stoffer, såkalte metallhydrider, har flere fordeler sammenliknet med komprimert hydrogengass. De viktigst er høyere hydrogentetthet og sikkerhet. Ti-V-M-legeringer (M = Cr, Mn, Fe, Co or Ni), såkalte bcc-legeringer, har god hydrogenkapasitet (2-3 vekt.% H) og gunstig kinetikk og termodynamikk for hydrogenlagring. Vanadium (V) er 40 ganger dyrere enn titan (Ti), hvilket er et alvorlig hinder for storskala-anvendelse av slike legeringer. Mye billigere ferrovanadium (FeV = Fe~0.2,V~0.8) kan brukes i stedet, men på bekostning av redusert hydrogenkapasistet. En Ti-V-Fe-legering med 10 % Fe kan f.eks. absorbere opp til 1.75 hydrogenatomer (H) pr metallatom(M), mens en tilsvarende legering uten Fe kan lagre 2 H/M. Forskjellen er overraskende stor, siden H lett kan plassere seg i hulrom omgitt av opp til 50% Fe i andre legeringer. Vi ønsket å se om den reduserte kapasiteten kan forklares fra den atomære strukturen til materialet. En totalspredningsstudie med nøytroner ble derfor gjennomført på Ti-V-Fe-hydridet ved nøytronkilden ISIS i UK. Totalspredning er sensitivt for kortrekkende atomær orden og er derfor nødvendig for fult ut å forstå strukturen til uordnede materialer som bcc-legeringer og deres hydrider. Totatspredningsmålingen, kombinert med Reverse Monte Carlo (RMC)-modellering, viste at Fe danner klustere med noen få nanometers utstrekning i legeringen. Hulrommene mellom atomene i disse klusterne er ikke gunstige for hydrogen siden Fe i seg selv ikke danner metallhydrider. RMC-modellene viser at nesten alle hulrom som ikke inneholder hydrogen, finnes i disse jernklustrne. Studien gir derfor en tydelig forklaring på hvorfor Fe reduserer H-kapasiteten.

The proposed project aims to establish national competence on investigations of structural disorder using total scattering techniques with neutrons and synchrotron radiation. Important objectives are to establish good routines for total scattering measure ments at the national JEEP II reactor at IFE and at the Swiss Norwegian Beam Lines (SNBL) at ESRF, France. This will give great added value for many present users of powder diffraction techniques at the two facilities since total scattering offer highly c omplementary information to regular diffraction experiments. It will also open up for new science e.g. investigations of nanoparticles, glasses and liquids which are not approachable by diffraction. The project will employ a postdoc fellow for three year s. The methodological competence will be partly built at IFE by investigations of materials of increasing complexity; from very simple model systems to materials of real scientific interest. In addition, a research visit of 4 months to the world leading g roup of Dr. David Keen at ISIS, UK is planned, which is foreseen to be highly stimulating for the research fellow. A 3 month stay at SNBL is also planned.