Martin Owen Jones (May 27th 2014)

21
Energy materials at ISIS CNR Roadshow ASI, Sala Cassini May 27 th 2014 Martin Owen Jones ISIS Facility, Rutherford Appleton Laboratory

description

“Energy Materials at ISIS”

Transcript of Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Page 1: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Energy materials at ISIS CNR Roadshow

ASI, Sala Cassini May 27th 2014

Martin Owen Jones ISIS Facility, Rutherford Appleton Laboratory

Page 2: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

MEXT visit Hard  

So(   mul,disciplinary      condensed  ma4er  science  

1960

1970

1990

1980

2000  

1960  

1970  

1990  

1980  

No  One  Experiment  

Page 3: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Length Scales

Page 4: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Studies  of  fabrica,on  processes  Novel  fuel  sources  for  cars  

CO2    sequestra,on  

Hydrogen  storage  

Photovoltaics  

Electrolytes  

Fission  

Catalysis  Novel  fuel  cells  

High  performance  ba4eries  

Lowering  exhaust  emissions  

Advances  in  energy  conversion  

Lower  emission  levels  of  pollutants  

Significant  improvements  in  energy  storage  

New  environmentally  friendly  materials  by  ra,onal  design  

CLEAN  POWER:  MATERIALS  ISSUES  

10-­‐10m

Macromolecules  (hydrogenase)

10-­‐8m

Reheater  tubing  failure 1m

Nuclear  industry

Li  ba4eries 10-­‐2m

p-­‐n  junc,ons 10-­‐6m

photovoltaics

fuel  cells 10-­‐4m

X-­‐ray  &  neutron  diffrac,on  EXAFS    Inelas,c  neutron  &  X-­‐ray  sca4ering  Computa,onal  modelling  (DFT  /  MD)  

Small-­‐angle  X-­‐ray  &  neutron  diffrac,on  X-­‐ray  &  neutron  reflectometry  

Protein  crystallography    First  principles  device  modelling  X-­‐ray  &  neutron  reflectometry  

X-­‐ray  tomography  Device  design  

High  energy  X-­‐ray  diffrac,on  Neutron  &  X-­‐ray  residual  stress  analysis  

atomic  understanding

Page 5: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

CASE  STUDIES  

Page 6: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

View  of  CO2  (top)  and  SO2  (bo4om)  sited  in  the  pore  of    NOTT-­‐300(Al)  as  determined  by  PXRD  (I11  Diamond),  inelas,c  neutron  sca4ering  (TOSCA,  ISIS)  and  DFT  

analysis  (aClimax,  ISIS).    

X-ray powder

diffraction (I11,

Diamond)

In-situ neutron powder

diffraction (WISH)

Inelastic neutron

scattering (TOSCA)

DFT modelling (aCLIMAX)

Synthesis (Notts)

Scien0fic  discovery  offers  ‘green’  solu0on  in  fight  against  greenhouse  gases  

•  UK  researchers  have  created  a  low  cost,  new  material  that  can  capture  harmful  gases  

 •  The  porous  material,  NOTT-­‐300,  has  the  potenOal  to  reduce  fossil  fuel  emissions  through  cheaper  and  more  efficient  capture  of  polluOng  gases  such  as  carbon  dioxide  (CO2)  and  sulfur  dioxide  (SO2)  

 •  TOSCA  and  WISH    at  ISIS  used  to  determine  crystal  structure  and  locate  CO2  and  SO2  within  the  pores  

The  crystal  structure  of  NOTT-­‐300  

Selec0vity  and  direct  visualiza0on  of  carbon  dioxide  and  sulfur  dioxide  in  a  decorated  porous  host  Sihai  Yang,  Bill  David,  Timmy  Ramirez-­‐Cuesta  et  al  4  887-­‐894  (2012)  

Page 7: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

The  origin  in  capacity  reduc0on  in  transi0on  metal  hydrogen  storage  materials  

In-­‐Operando  neutron  diffrac0on  studies  of  transi0on  metal  hydrogen  storage  materials  Kazuya  Kamazawa,  Bill  David,  MarOn  Owen  Jones,  Sam  Callear  et  al  3  39-­‐42  (2013)  

•  ISIS  and  Toyota  scienOsts  have  revealed  the  origin  in  the  capacity  reducOon    exhibited  by    Ti-­‐Cr-­‐Mn  hydrogen  storage  alloys  

 •  In-­‐Operando  studies  were  performed  using  non-­‐isotopically  enriched  hydrogen  on  GEM  at  temperatures  and  pressures  mimicking  those  uOlised  in  real-­‐world  applicaOons  

 •  The  sequestered  hydrogen  was  found  to  preferenOally  occupy    the  octahedral  and  tetrahedral  intersOOal  sites  

Page 8: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Mystery  of  car  baGery  material  solved  

•  researchers  from  Oxford  University,  the  University  of  Bath  and  Trinity  College  Dublin,  ISIS  has  helped  to  reveal  what  makes  lead  oxide  such  a  powerful  electrical  conductor  

 •  Using  theoreOcal  calculaOons,  the  group  were  able  to  show  that  oxygen  vacancies  can  form  very  easily  in  lead  oxide  and  that  oxygen  vacancies  give  metallic  behaviour  by  freeing  up  electrons  to  carry  electrical  current  

 •  Neutron  diffracOon  experiments  on  Polaris  confirmed  that    commercial  lead  oxide  powder  is  oxygen-­‐  deficient  by  showing  that  oxygen  sites  were  1.6%  vacant  

Nature  of  the  Band  Gap  and  Origin  of  the  Conduc0vity  of  PbO2  Revealed  by  Theory  and  Experiment  David  O.  Scanlon,  Bill  David,  MarOn  Owen  Jones  et  al.  107  246402  (2011)  

A  lead-­‐acid  ba4ery  

Forma,on  energies  for  intrinsic  defects  under  O-­‐rich  (le()  and  

O-­‐poor  (right)  condi,ons  

Page 9: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

submi4ed  to  Science  Probing  the  Evolu0on  and  Morphology  of  Hard  Carbon  Spheres    Vilas  G.  Pol,  Bill  David,  Sam  Callear,  Daniel  T.  Bowron  et  al  

•  researchers  from  ISIS  and  Argonne  NaOonal  Laboratory  have  invesOgated  a  new  lithium  baeery  electrode  material  comprised  of  hard  carbon  spheres  formed  from  HDPE  plasOc  bags  

 •  Electron  microscopy  and  neutron  total  scaeering  experiments  on  NIMROD  showed  that    the  internal  structure  of  the  carbon  spheres  can  be  tailored  to  opOmize  properOes  such  as  lithium  ion  diffusion  and  tribological  properOes  

Iden0fying  new  baGery  electrode  materials  

2400oC  

1  hour  

Ar  

700oC  

1  min  

490  PSI  

Forma,on  process  for  the  spheres  from  HDPE  plas,c  bags  

Total  sca4ering  data  from  NIMROD  

HREM  on  samples  heated  to    

700oC  (a)  and    2800oC  (b)  

(a)  

(b)  

Page 10: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Determining  catalyst  mechanisms  

•  The  Lindlar  catalyst  is  used  for  selecOve  hydrogenaOon  of  carbon-­‐carbon  triple  bonds  to  double  bonds,  without  the  unwanted  formaOon  of  carbon-­‐carbon  single  bonds,  which  is  a  key  step  in  vitamin  A  synthesis  

•  Researchers  from  ISIS,  Evonik  Industries  and  Aqura  AnalyOcal  SoluOons  uOlised  neutron  scaeering  on  the  MAPS  spectrometer  to  idenOfy  the  catalyOc  mechanism  

 

Characteriza0on  of  β-­‐Palladium  Hydride  Forma0on  in  the  Lindlar  Catalyst  and  in  Carbon-­‐Supported  Palladium  P.W.  Albers,  K.  Möbus,  C.D.  Frost  and  S.F.  Parker    115  24485-­‐24493  (2011)  

Page 11: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Dry  reforming  of  methane:  a  use  for  CO2?  

•  Industrially,  hydrogen  is  produced  by  steam  reforming  of  methane:  CH4  +  H2O  →  CO  +  3H2    An  alternaOve  route  is  to  use  CO2  as  the  oxidant:      CH4  +  CO2  →  2  CO  +  2H2  

•  The  process  requires  a  Ni(20%)/Al2O3  catalyst,  which  deacOvates  by  carbon  deposiOon  

 •  ScienOsts  at  ISIS,  University  of  Keele  and  University  of  Glasgow  have  used  inelasOc  neutron  scaeering  to  characterise  and  quanOfy  adsorbed  hydrocarbon  and  hydroxyls  determining  that  most  of  the  CO2  is  converted  to  valuable  CO  and  that  the  catalyst  is  very  efficient  at  cycling  hydrogen  but  not  carbon.  

Data  from  the  MAPS  neutron  spectrometer  at  ISIS  iden,fying  

C-­‐H  and  O-­‐H  stretches  

A  methane  reforming  plant  

Quan0fica0on  of  surface  species  present  on  a  nickel/alumina  methane  reforming  catalyst  I.  P.  Silverwood,  C.  D.  Frost,  S.  F.  Parker,  D.  Lennon  et  al    12  3102–3107  (2010)  

Page 12: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

The  propeller-­‐shaped  molecules  of  Alq3,which  are  used  as  an  ac,ve  

cons,tuent  of  organic  light  emi`ng  diode  (OLED)  displays.    

Muons  probe  charge  transport  in  organic  semiconductors  

•  Electronic  devices  based  on  organic  semiconductors  such  as  Alq3  (tris[8-­‐hydroxy-­‐quinoline]  aluminium)  are  revoluOonising  electroluminescent  displays  and  large-­‐area  electronics  

 •  Even  though  charge  transport  in  such  organic  conductors  is  fundamental  to  their  operaOon,  many  of  its  mechanisms  are  sOll  only  poorly  understood  

 •  ScienOsts  at  ISIS,    the  University  of  Fribourg,  the  University  of  Sheffield,  Queen  Mary,  University  of  London  and  the  Paul  Scherrer  InsOtute  have  used  muons  as  a  local  probe  for  mobile  spin  dynamics  and  charge  carrier  moOon  in  Alq3  as  a  funcOon  of  temperature  to  provide  an  upper  limit  for  the  mobility  that  might  be  achievable  in  high  quality  bulk  organic  semiconductors

Intrinsic  Mobility  Limit  for  Anisotropic  Electron  Transport  in  Alq3  AJ  Drew,  FL  Prae  et  al,  100  116601  (2008)  

Page 13: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Polymers  for  Organic  Solar  Cells  

•  Neutron  diffracOon  and  quasielasOc  scaeering  experiments  performed  on  the  OSIRIS  backscaeering  spectrometer  are  used  to  invesOgate  the  structure  and  dynamics  of  conjugated  polymers.  

 •  This  characterisaOon  of  the  structure  and  dynamics  at  the  nanoscale  is  crucial  to  achieve  the  producOon  of  producOon  of  higher  performance  organic  solar  cells.  

Polymer  solar  cell  

The  Nanoscale  Morphology  of  a  PCDTBT:PCBM  Photovoltaic  Blend  P.  A.  Staniec,  A.  J.  Parnell,  C.  Kinane,  R.  M.  Dalgliesh  et  al,  1(4)  499  (2011)  

neutron  sca4ering  experiments  help  to  improve  understanding  of  device  structure  

Page 14: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

In-­‐situ  ionic  conduc0vity  analysis  

d-s

pac

ing •  Simultaneous  neutron  diffracOon  and  ionic  conducOvity  

measurements  have  been  carried  out  at  the  ISIS  facility  

•  Researchers  from  ISIS  and  Heriot  Wae  University  have  developed  sample  environment  that  allows  simultaneous  measurements  of  ionic  mobility  and  structure  

 •  Using  the  POLARIS  neutron  diffractometer,  the  team  has  been  able  to  study  lithium  and  proton  conducOvity  in  potenOal  baeery  and  proton  conductor  materials  

Ionic  mobility  and  structure  sample  environment  apparatus  

Typical  ionic  conduc,vity  (lower)  and  neutron  diffrac,on  data  collected  simultaneously  on  the  

POLARIS  diffractometer  

Page 15: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

In-­‐situ  gravimetric  and  structural  characterisa0on  

•  ScienOsts  from  the  University  of  Oxford  and  ISIS  have  developed  sample  environment  to  simultaneously  study  the  structure  and  thermogravimetric  properOes  of    hydrogen  storage  materials  –  the  intelligent  gravimetric  analysis  apparatus  for  neutrons,  IGAn  

•  The  apparatus  allows  controlled  gas,  temperature  (to  500oC)  and  pressure    (20bar)  environments  to  be  used  to  invesOgate  gas  uptake,  desorpOon  and  cycling  in  hydrogen  storage  materials  on  the  HRPD,  WISH  and  GEM  neutron  diffractometers  at  ISIS  

d-s

pac

ing

The  IGAn  apparatus  

Sample  thermogravimetric  (le()  and  diffrac,on  (right)  data  collected  on  the  GEM  neutron  

diffractometer  using  the  IGAn  

Page 16: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Simultaneous Neutron-Raman Scattering

Cisplatin, a platinum-containing anticancer drug (JPC B, in press)

Page 17: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

POLARIS  :  REACTION  CELLS  In  progress  

Microwave  characterisaOon  cell    (Cardiff  +  ISIS).  

ConcentraOon  cell    (St  Andrews  +  ISIS).  

Page 18: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Fin  

Page 19: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Detec0ng  radioisotopes  

•  ScienOsts  from  ISIS  and  Cardiff  University,  in  conjuncOon  with  Magnox,  are  developing  a  rapid,  selecOve  method  for  the  detecOon  and  speciaOon  of  transuranic  radioisotopes  such  as    Np,  Pu,  Am  and  Cm  in  soluOon  

 •  A  range  of  water  soluble  complexing  agents  have  been  synthesised  that  display  selecOvity  towards  the  radionuclides  of  interest,  bind  to  a  specific  radionuclide  caOon  and  separate  them  from  the  soluOon  out  within  a  microemulsion.  

•  Small  angle  neutron  scaeering  (SANS)  is  used  to  probe  the  separaOon  within  the  microemulsion  system  and  to  discover  unique  complexing  agent  –  metal  caOon  combinaOons.  

Hydrophobic  ligands  selec,vely  sequester  ions  and  transport  them  to  specific  places  within  microemulsion  systems  for  detec,on.  

SANS  studies  of  the  effects  of  surfactant  head  group  on  aggrega0on  proper0es  in  water/glycol  and  pure  glycol  systems  C.  Seguin,  J.  Eastoe,  R.  K.  Heenan,  I.  Grillo,  315  714  (2007)  

Page 20: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Porosity  in  ac0vated  carbons  

•  ScienOsts  at  ISIS,  the  University  of  Salford  and  Chemviron  Carbon  Ltd  are  invesOgated  acOvated  carbon  materials.  

•  AcOvated  carbons  are  of  interest  for  hydrogen  storage  because  hydrogen  molecules  can  be  trapped  on  the  carbon  surface  

 •  The  use  of  small  angle  neutron  scaeering  (SANS)  and  contrast-­‐matching  liquids  allows  accurate  measures  of  carbon  density  and  thus  hydrogen  storage  capaciOes    

 •  SANS  data  also  allow  us  to  compare  the  accessible  pore  volumes  at  each  parOal  pressure  with  those  obtained  gravimetrically.  

SANS  data  as  a  func,on  of  toluene  par,al  pressure.  The  inset  shows  a  comparison  between  

SANS  and  gravimetric  data  

The  use  of  small  angle  neutron  scaGering  with  contrast  matching  and  variable  adsorbate  par0al  pressures  in  the  study  of  porosity  in  ac0vated  carbons  Z.  Mileeva,  D.  K.  Ross,  D.  Wilkinson,  S.  M.  King  et  al  50  5062  (2012)  

Page 21: Martin Owen Jones (May 27th 2014)

Earth  Science  Studying  ferropericlase  helps  understanding  of  earthquakes  

Chemistry  catalyst  for  conversion  of  carbon  

dioxide  to  cyclic  carbonates    

Cultural  Heritage  understanding  molecular  processes  

of  preservaOon  of  polychrome  carved  wood  

Engineering  3-­‐D  high  speed  tomography  

Environmental  Science  Electric-­‐field-­‐induced  phase  transformaOons  in  lead-­‐free  piezoelectric  ceramics  

Life  Sciences  Structure  and  history  of  viruses  

Physics  and  

Materials  Science  

MagneOc  contrast  imaging  for  FeRh  films