Neutrondiffraktionsforsøg af materialer med strukturer bestående af flere metalelementer

Materialer, der indeholder flere metalelementer, er vigtige til forskellige anvendelser, da kombinationen af ​​forskellige metalkationer giver nye eller forbedrede egenskaber, som ikke kan opnås ved brug af kun et metal. En nylig undersøgelse, der involverer neutrondiffraktionseksperimenter, har muliggjort udviklingen af ​​en ny generel strategi til fremstilling af komplekse materialer med metalkation-arrangementer, der praktisk talt kan kontrolleres efter behov for ønskede anvendelser; et resultat, der vil få stor betydning på forskellige områder.

Fremstilling af komplekse materialer med strukturer bestående af flere metalkationer, der indtager bestemte steder, er en udfordrende opgave, da det involverer samtidig adressering af inkorporering af forskellige elementer på nøjagtige positioner. Imidlertid, disse multimetalmaterialer er vigtige inden for forskellige områder, da kombinationen af ​​metalkationer giver nye eller forbedrede egenskaber; noget, der ikke kan opnås ved brug af kun et metal.

En hyppig anvendelse af blandede metaloxider og -salte bliver brugt som anodematerialer i batterier, på grund af superledelse demonstreret af flere multimetalfamilier, hvis strukturer er sammensat af flere kationer tilsammen. Andre anvendelser omfatter doterede metaloxider, der anvendes i optiske anordninger, og blandede metaloxider, der er katalysatorer i vigtige kemiske transformationer. Imidlertid, brugen af ​​multimetalmaterialer til disse applikationer kommer ikke med lethed; Syntetisering af nye materialer med strukturer, hvor anbringelsen af ​​metalelementerne er meget kontrollerbar, er stadig en udfordring. Faktisk, kontrollen med elementernes indretning i de fleste eksisterende multimetalmaterialer har været begrænset eller endda ikke eksisterende. I øvrigt, der er begrænsninger med hensyn til mængden og arten af ​​de elementer, der kan kombineres inden for en struktur.

En klasse af krystallinske materialer, metal-organiske rammer (MOF'er), er sammensat af en kombination af metalklynger kaldet sekundære bygningenheder (SBU'er) og organiske linkere. Mens MOF'er traditionelt er konstrueret med kun en metalkation, de har for nylig demonstreret evnen til at inkorporere flere metalelementer i en enkelt krystalstruktur. Imidlertid, der har manglet grundlæggende kontrol med disponeringen af ​​de brugte metalelementer i de fleste af de rapporterede systemer til dato.

En nylig undersøgelse udført af et internationalt samarbejde mellem forskningsinstitutter (Institut Laue-Langevin (ILL), Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid og Instituto de Ciencia de Materiales de Aragon (begge institutter i det spanske nationale forskningsråd), IMDEA Energy Institute (ICMA) og Complutense University of Madrid) har rapporteret, hvordan det er muligt at bruge en MOF bygget med en stavformet uorganisk SBU til at kombinere flere metalelementer på præcise positioner. Dette resulterer i materialer med et arrangement af metalkationer, der kan kontrolleres på atomare og mesoskopiske skalaer.

En neutronpulverdiffraktionsundersøgelse udført på ILL afdækkede forskellige mulige atomarrangementer af metalkationerne i SBU'erne. Resultaterne af dette arbejde giver en ny generel strategi for at producere komplekse multimetalmaterialer med arrangementer af metalkationer, der praktisk talt kan kontrolleres efter behov til forskellige ønskede applikationer. I betragtning af materialernes egenskaber er dikteret af deres sammensætning og præcise atomare og mesoskopiske strukturer, disse resultater vil være af stor relevans og betydning på forskellige områder.

Ines Puente Orench, ILL-forsker og medforfatter til denne undersøgelse siger:"Neutroner, og specifikt højopløsnings-multidetektoren D2B og højintensitetspulverdiffraktometer D1B ved ILL, var integreret i denne undersøgelse, da de tillod os at observere de præcise placeringer af metalelementerne i den krystallografiske struktur. Disse observationer kunne ikke være foretaget ved hjælp af nogen anden teknik, da de ikke ville have tilladt at skelne mellem de forskellige metalelementer. I betragtning af det store antal eksisterende MOF'er, der består af flere SBU'er, denne metode vil blive generaliseret til at forberede nye materialer med sammensætninger, der passer til visse applikationer, hvor flere metalkationer kan arrangeres ved ønskede og præcise atomstillinger. "