Ny forskning kunne muliggøre mere - og mere effektiv - syntese af metastabile materialer
Ionbytning er en kraftfuld teknik til at konvertere et materiale til et andet, når man syntetiserer nye produkter. I denne proces ved forskerne, hvilke reaktanter der fører til hvilke produkter, men hvordan processen fungerer – den nøjagtige vej til hvordan ét materiale kan omdannes til et andet – er forblevet uhåndgribelig.
I et papir udgivet i Nature Materials , et hold af UChicago Pritzker School of Molecular Engineering forskere kaster nyt lys over dette mysterium. Ved at forske i lithiumkatodematerialer til batterilagring har et hold fra Liu Lab vist, at der er en generel vej for lithium- og natriumionbytning i lagdelte oxidkatodematerialer.
"Vi udforskede systematisk ionbytningsprocessen i lithium og natrium," sagde førsteforfatter Yu Han, en Ph.D. kandidat hos PME. "Ionbytningsvejen, vi afslørede, er ny."
Ved at hjælpe med at forklare, hvordan ionbytningsprocessen fungerer, åbner dette papir dørene for forskere, der arbejder med metastabile materialer, hvilket betyder materialer, der i øjeblikket ikke er i deres mest stabile mulige former. Det kan også føre til nye innovationer inden for atom-effektiv fremstilling, der bruger færre af startprækursorerne og genererer mindre affald, når materialer syntetiseres.
"Det vil udvide familien af metastabile materialer, folk kan syntetisere," sagde PME Asst. Prof. Chong Liu.
Nye metoder
Selvom de potentielle anvendelser giver genlyd gennem materialesyntesen, startede papiret med at se på produktionen af lithium til batterikatoder. Da klimaforandringerne skubber verden væk fra fossile brændstoffer, er der brug for flere og bedre batterier til at lagre vedvarende energi.
"Den gamle metode til solid-state syntese ville være, at du vælger noget salt, som indeholder de elementer, du ønsker at syntetisere. Så kombinerer du dem med det rigtige forhold mellem hvert af grundstofferne," sagde Liu. "Så brænder du det."
At brænde lithium-prækursorerne ved 800-900 grader Celsius er dog mere effektivt, når man arbejder med stabile materialer. I tilfælde, hvor den metastabile form havde interessante egenskaber, der teoretisk kunne lave gode batterikatoder, skubbede de høje temperaturer materialerne ind i en ny tilstand, der var mere stabil, men ofte manglede de interessante egenskaber.
Ionbytning er imidlertid en syntesemetode, der kan udføres ved stuetemperatur eller ved relativt lave temperaturer på 100 grader Celsius.
"Ionbytning ved stuetemperatur giver os adgang til de metastabile lagdelte oxider, som ikke direkte kunne syntetiseres gennem faststofsyntese ved forhøjet temperatur, men som kan udstyres med unikke kemiske og fysiske egenskaber," sagde Han.
Ved ionbytning bliver saltene ikke brændt, men opløst, hvilket lader ioner med samme ladning erstatte uønskede ioner. Det giver forskerne mulighed for at variere den kemiske sammensætning, mens de bevarer en solid ramme - kun ionerne bliver byttet ud. Men også dette havde sine ulemper. Processen har historisk været ressourcekrævende og er baseret på forsøg og fejl.
Indsigten fra PME-teamets papir vil gøre det muligt for forskere at forudsige ikke kun de endelige sammensætninger og faser, men også de mellemliggende tilstande for at kortlægge de kinetiske veje.
PME-forskerne har allerede omsat deres indsigt i ionbyttervejene til praksis, og skabt det, Han kaldte "en meget effektiv måde" til at syntetisere lithium (Li) fra natrium (Na) og tilbage igen. Artiklen demonstrerer syntesen af ren fase natriumcoboltoxid fra moderlithiumcobaltoxidet for første gang og også lithiumcoboltoxid fra natriumcoboltoxid ved 1-1000 Li-Na (molært forhold) med elektrokemisk assisteret ionbytningsmetode ved at afbøde kinetiske barrierer.
Holdet håber, at fremtidige innovatører vil gå videre og skabe mere effektive, mindre spildende processer til at syntetisere materialer, som menneskeheden har brug for til klimaændringer eller andre presserende globale behov.
"I produktionen nu, lægger folk vægt på atomær effektivitet, hvilket betyder at bruge den mindste mængde materiale for at komme til det, du ønsker," sagde Liu.
Flere oplysninger: Yu Han et al., Afdækning af de forudsigelige veje for lithium- og natriumudveksling i lagdelte oxider, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01862-8
Journaloplysninger: Naturmaterialer
Leveret af University of Chicago
Varme artikler
-
Kemikere opdager mekanismen for strålingsustabilitet af lithiumtetraboratKredit:RUDN Universitet Kemikere fra RUDN University har studeret mekanismen for strålingsustabilitet af termoluminoforer baseret på lithiumtetraborat, som bruges til fremstilling af strålingsdosi -
Topologi af højere orden fundet i 2-D krystalWTe2 Josephson junction:Grønne plader er lag af WTe2, orange søjler er niobium elektroder, og røde og blå linjer angiver spin op og spin ned elektroder, der bevæger sig på to hængsler af prøverne. Kre -
Målretning af SARS-CoV-2-enzym med inhibitorerSkematisk af hovedproteasen af SARS CoV-2 (venstre), proteinrestnetværket af hovedproteasen i SARS CoV-2 (i midten), og en zoomet visning af området omkring bindingsstedet som detekteret af Estrada -
Ved hjælp af almindelig tape, forskere laver chip, der kan fremskynde udviklingen af lægemidlerEt forenklet skema af det tape-baserede barriere-on-a-chip system. Kredit:KTH Kgl. Teknologisk Institut Med almindelig dobbeltklæbende tape, forskere i Sverige samlede en chip-baseret model af en
- At have øje for farver:Printbare lyssensorer
- Regler for længden af trekantets sider
- Michigan oversvømmelse fortrænger tusinder, truer Superfund site
- At betale for coronavirus skal være som krigsgæld – spredt over generationer
- Forskere undersøger, hvordan tygning påvirker tænder på nanoskala
- Nanopartikler af risklid viser lovende som et overkommeligt og målrettet anticancermiddel