Forskare vid Tohoku University har avslöjat ett nytt sätt att förutsäga hur man syntetiserar nya material via jonbyte. Baserat på datorsimuleringar minskar metoden avsevärt tiden och energin som krävs för att utforska oorganiska material.
Detaljer om deras forskning publicerades i tidskriften Chemistry of Materials den 17 april 2024.
I strävan efter att bilda nya material som underlättar miljövänlig och effektiv energiteknik, förlitar sig forskare regelbundet på högtemperaturreaktionsmetoden för att syntetisera oorganiska material. När råämnena blandas och värms upp till mycket höga temperaturer spjälkas de till atomer och sätts sedan samman till nya ämnen. Men detta tillvägagångssätt har vissa nackdelar. Endast material med den mest energimässigt stabila kristallstrukturen kan bildas, och det är inte möjligt att syntetisera material som skulle sönderfalla vid höga temperaturer.
Tvärtom bildar jonbytarmetoden nya material vid relativt låga temperaturer. Joner från befintliga material byts ut mot joner med liknande laddning från andra material och bildar därigenom nya oorganiska ämnen. Den låga syntestemperaturen gör det möjligt att erhålla föreningar som inte skulle vara tillgängliga med den vanliga högtemperaturreaktionsmetoden.
Trots dess potential har emellertid avsaknaden av ett systematiskt tillvägagångssätt för att förutsäga lämpliga materialkombinationer för jonbyte hindrat dess utbredda antagande, vilket har gjort det nödvändigt med mödosamma försök-och-fel-experiment.
"I vår studie förutspådde vi genomförbarheten av material lämpade för jonbyte med hjälp av datorsimuleringar", säger Issei Suzuki, senior biträdande professor vid Tohoku Universitys Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, och medförfattare till artikeln.
Simuleringarna innebar att undersöka potentialen för jonbytesreaktioner mellan ternära oxider av wurtzite-typ och halogenider/nitrater. Specifikt utförde Suzuki och hans kollegor simuleringar på 42 kombinationer av β-M I GaO2 , M I =Na, Li, Cu, Ag som prekursorer och halogenider och nitrater som jonkällor.
Simuleringsresultaten delades in i tre kategorier:"jonbyte inträffar", "inget jonbyte inträffar" och "partiellt jonbyte inträffar (fast lösning bildas). För att bekräfta sina resultat verifierade forskarna simuleringen genom faktiska experiment, vilket bekräftade en överenskommelse mellan simulering och experiment i alla 42 kombinationer.
Suzuki tror att deras framsteg kommer att påskynda utvecklingen av nya material som är lämpliga för förbättrad energiteknik. "Våra fynd har visat att det är möjligt att förutsäga om jonbyte är genomförbart och att utforma reaktioner i förväg utan experimentella försök och misstag. I framtiden planerar vi att använda denna metod för att söka efter material med nya och attraktiva egenskaper som kommer att tackla energiproblem."
Mer information: Issei Suzuki et al, Designing Topotaktic Jon-Exchange Reactions in Solid-State Oxides Through First-Princips Calculations, Materialchemistry of Materials (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c03016
Journalinformation: Materialens kemi
Tillhandahålls av Tohoku University
