[논문 리뷰] 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 Deledda외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 13.

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한 줄 요약

본 연구는 Nb 도핑된 TiFe 합금을 사용해 구조 변화와 수소 흡착 이점을 이해하기 위해 동기방사 X선 회절 및 EXAFS를 활용했으며, 활성화 및 동역학이 향상되었고 저장 용량의 손실 없이 Nb 점유가 2차 Ti 포함 페이즈에서 나타난다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• Nb 도핑이 TiFe 계 합금의 결정학적 구조에 어떤 영향을 미치는지 이해한다.
• Nb가 수소 흡착 특성과 활성화 동역학에 미치는 영향을 규명한다.
• 향상된 동역학 및 보유된 저장 용량과 상관관계가 있는 구조적 특징을 SR-PXRD 및 EXAFS를 통해 확인한다.

제안 방법

• Arc-melting으로 Nb의 두 당량비를 갖는 TiFe 합금을 합성한다.
• 동기방사 분말 X선 회절(SR-PXRD)을 이용하여 구조를 특성화한다.
• EXAFS를 이용하여 국부 구조를 분석한다.
• 활성화 및 동역학을 평가하기 위해 50 ± 2 °C 및 40 ± 2 bar에서 수소 흡수 측정을 수행한다.
• 2차 Ti 페이즈에서 Nb 점유를 결정하기 위해 SR-PXRD 및 EXAFS 데이터를 정밀 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb 도핑이 TiFe 합금의 결정구조를 변화시켜 수소 확산 경로에 영향을 미치는가?
• RQ2 Nb 도입이 활성화 절차와 수소 흡착 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 TiFe의 수소 저장 특성에 대한 2차 Ti 페이즈에서 Nb 점유의 역할은 무엇인가?
• RQ4 Nb 도핑이 저장 용량을 유지하거나 개선하면서 동역학을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Nb 도핑은 TiFe 합금에서 매트릭스 활성화 및 수소 흡착 동역학을 향상시킨다.
• Nb가 첨가되더라도 수소 저장 용량은 보존된다.
• 정밀 분석은 2차 Ti 포함 페이즈에서 Nb의 점유가 상당히 나타나며 이는 향상된 수소화 특성과 상관관계가 있음을 시사한다.
• 구조에서 Nb 분포의 역할을 밝히기 위해 Nb의 두 당량비를 연구했다.
• 활성화 및 동역학 이점은 전반적인 저장 성능을 해치지 않고 달성된다.