Ett forskarlag från Ruhr-Universität Bochum (RUB) och Carleton University i Ottawa har tillverkat en roman, mycket mångsidig koboltförening. Molekylerna i föreningen är stabila, extremt kompakta och har låg molekylvikt så att de kan förångas för framställning av tunna filmer. Följaktligen, de är av intresse för applikationer som batteri- eller ackumulatortillverkning. På grund av deras speciella geometri, blandningen har också en mycket ovanlig spin-konfiguration på ½. En sådan koboltförening beskrevs senast 1972. Teamet publicerade sin rapport i tidskriften Angewandte Chemie International Edition från 5 maj 2020.

Geometrin gör skillnaden

"De få kända kobolt(IV)-föreningarna uppvisar hög termisk instabilitet och är mycket känsliga för luft- och fuktexponering. Detta försvårar deras implementering som modellsystem för breda reaktivitetsstudier eller som prekursorer i materialsyntes, " förklarar huvudförfattaren David Zanders från forskargruppen för inorganisk materialkemi i Bochum, ledd av professor Anjana Devi. I sin pågående binationella Ph.D. projekt, som har kommit överens om av Ruhr University och Carleton University genom ett Cotutelle-avtal, David Zanders och hans kanadensiska kollegor professor Seán Barry och Goran Bačić upptäckte en kobolt(IV)-förening med dessa egenskaper som också uppvisar ovanligt hög stabilitet.

Baserat på teoretiska studier, forskarna visade att en nästan ortogonal inbäddning av den centrala koboltatomen i en tetraedriskt arrangerad miljö av sammankopplade atomer – så kallade ligander – är nyckeln till att stabilisera föreningen. Detta specifika geometriska arrangemang inom molekylerna i den nya föreningen framtvingar också den centrala koboltatomens ovanliga elektronspin. "Under dessa extraordinära omständigheter, snurran kan bara vara hälften, " säger David Zanders. En koboltförening med detta spinntillstånd och liknande geometri har inte beskrivits på nästan 50 år.

Efter en rad experiment, Teamet visade också att föreningen har en hög flyktighet och kan förångas vid temperaturer på upp till 200 grader Celsius med praktiskt taget ingen nedbrytning, vilket är ovanligt för kobolt(IV).

Lovande kandidat för ultratunna lager

Individuella molekyler av föreningen dockar på ytor på ett kontrollerbart sätt efter avdunstning. "Således, det mest grundläggande kravet på en potentiell prekursor för atomskiktsavsättning har uppfyllts, " säger Seán Barry. "Denna teknik har fått allt större betydelse vid tillverkning av industriella material och enheter, och vår kobolt(IV)-förening är den första i sitt slag som är lämplig för detta ändamål."

"Vår upptäckt är ännu mer spännande eftersom de högvärdiga oxiderna och sulfiderna av kobolt anses ha stor potential för moderna batterisystem eller mikroelektronik, ", tillägger Anjana Devi. Efter frekvent laddning och urladdning, elektroder i laddningsbara batterier blir mer och mer instabila, det är därför forskare letar efter mer stabila och, följaktligen, mer hållbara material för dem. På samma gång, de fokuserar också på att använda nya tillverkningstekniker.

"Detta binationella samarbete, som initierades av David Zanders, har slagit samman kreativiteten och kompletterande expertis hos kemiingenjörer från Bochum och Ottawa. Allt detta har gett oväntade resultat och var verkligen nyckeln till framgång, " avslutar Anjana Devi.