[論文レビュー] Effect of Niobium Doping on the Crystal Structure and Hydrogen Sorption Properties of TiFe: Combined Synchrotron X-ray Diffraction and Extended X-ray Absorption Fine Structure Study

Abhishek Banerjee, Stefano Deledda+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2026

Hydrogen Storage and Materials被引用数 0

ひとこと要約

この研究は、NbドープTiFe合金をシンクロトロンX線回折とEXAFSを用いて構造変化と水素吸着の改善を理解し、活性化と動力学が向上しながら貯蔵容量の喪失を伴わないことを示し、Nbが二次的なTi含有相に占有されることと関連している。

ABSTRACT

TiFe alloys are attractive compounds for solid-state stationary hydrogen storage. They can absorb hydrogen gas reversibly at near ambient temperatures and practical pressures with high volumetric capacities surpassing that of cryogenically liquified H2. The main drawback of TiFe-based storage systems is a costly activation procedure required due to the formation of oxide surface layer, which hinders hydrogen diffusion into the bulk. Doping the alloy with various additives is known to improve hydrogen diffusion softening the conditions of the activation procedure. Hydrogen sorption properties of the modified alloys have been the focus of most studies whereas less attention has been dedicated to the fundamental understanding of the effects of hydrogen sorption on the alloys' structure. The latter, however, is an important information in the knowledge-guided design of novel materials. In this work, we investigated effects of Nb-doping on crystallographic structure of TiFe metal-alloy compounds and their hydrogen sorption properties. TiFe samples with two different Nb stoichiometries were synthesized using arc-melting (AM) and characterised with synchrotron powder X-ray diffraction (SR-PXRD) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analysis. Overall, H2 absorption measurements (at 50 +/- 2 degrees C and 40 +/- 2 bar), have shown that doping of TiFe with Nb can improve matrix activation and kinetics of hydrogen sorption without compromising the overall storage capacities. Refinement of SR-PXRD and EXAFS data showed significant Nb occupancy in secondary Ti phases, which improved the hydrogenation properties of the alloys.

研究の動機と目的

• NbドーピングがTiFe系合金の結晶構造に与える影響を理解する。
• Nbが水素吸着特性と活性化挙動に与える影響を判断する。
• SR-PXRDおよびEXAFSを通じて、動力学の改善と貯蔵容量の保持に関連する構造的特徴を同定する。

提案手法

• アーク溶解を用いてNbの2つのモル比でTiFe合金を合成する。
• SR-PXRDによる結晶構造の特性化。
• EXAFSによる局所構造の分析。
• 活性化と動力学を評価するために50 ± 2 °Cおよび40 ± 2 barで水素吸収測定を行う。
• SR-PXRDおよびEXAFSデータを精査し、二次的Ti相におけるNb占有を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nbドーピングは水素拡散経路に影響を与えるようなTiFe合金の結晶構造を変えるか。
• RQ2 Nbの取り込みは活性化手順と水素吸着動力学にどう影響するか。
• RQ3 Ti相中のNb占有がTiFeの水素貯蔵特性に果たす役割は何か。
• RQ4 Nbドーピングは動力学を向上させつつ貯蔵容量を維持または改善できるか。

主な発見

• Nbドーピングは基体の活性化と水素吸着動力学をTiFe合金で改善する。
• Nb添加にも関わらず水素貯蔵容量は保存される。
• 精練は二次的なTi含有相におけるNb占有が有意であることを示し、水素化特性の改善と相関する。
• 構造中のNb分布の役割を明らかにするために2つのNbモル比が検討された。
• 活性化と動力学の利点は全体的な貯蔵性能を損なうことなく達成される。