Unveiling the Origin of Fast Hydride Ion Diffusion at Grain Boundaries in Nanocrystalline TiN Membranes

纳米晶材料 材料科学 晶界 氢化物 化学工程 晶界扩散系数 化学物理 结晶学 微观结构 冶金 金属 纳米技术 化学 生物化学 工程类 有机化学
作者
Yuji Kunisada,Chiharu Kura,Norihito Sakaguchi,Chunyu Zhu,H. Habazaki,Yoshitaka Aoki
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:9 (12): 13738-13745 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsomega.3c08277
摘要

Nanocrystalline titanium nitride (TiN) has been determined to be a promising alternative to noble metal palladium (Pd) for fabricating base membranes for the energy-efficient production of pure hydrogen. However, the mechanism of transport of hydrogen through a TiN membrane remains unclear. In this study, we established an atomistic model of the transport of grain boundary hydride ions through such a membrane. High-resolution transmission electron microscopy and X-ray reflectivity confirmed that a nanocrystalline TiN1.0 membrane with a (100) preferred growth orientation retained about 4 Å-wide interfacial spaces along its grain boundaries. First-principles calculations based on the density functional theory showed that these grain boundaries allowed the diffusion of interfacial hydride ion defects with very small activation barriers (<12 kJ mol–1). This was substantiated by the experiment. In addition, the narrow boundary produced a sieving effect, resulting in a selective H permeation. Both the experimental and theoretical results confirmed that the granular microstructures with the 4 Å-wide interlayer enabled the transition metal nitride to exhibit pronounced hydrogen permeability.
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