Een methode om nanodeeltjes te maken zonder oplosmiddelen kan leiden tot milieuvriendelijke elektronica.

Nanodeeltjes van controleerbare samenstelling en grootte hebben een groot potentieel in elektrische, optische en chemische apparaten, maar ze moeten op een veilige en kosteneffectieve manier worden gecreëerd. Kazuhiro Takanabe en collega's van KAUST rapporteren nu een eenvoudige methode om metaalsulfide-nanodeeltjes bij lage temperatuur te synthetiseren zonder gebruik te maken van milieubelastende oplosmiddelen.

Metaalsulfiden, dat zijn kristallijne materialen die een of meer metaalatomen combineren met zwavelatomen, hebben uitstekende elektronische, optische en thermo-elektrische eigenschappen. Nanodeeltjes van deze materialen zijn een opwindend vooruitzicht voor de ontwikkeling van geminiaturiseerde apparaten. Maar, het ontwikkelen van zulke kleine apparaten hangt af van een eenvoudige, efficiënte en veilige methode voor het maken van metaalsulfide nanostructuren, liefst op commerciële schaal. De ideale methode zou niet het gebruik van hoge temperaturen of oplosmiddelen moeten vereisen die een negatief effect hebben op het milieu of de menselijke gezondheid.

Takanabe en zijn team demonstreren nu een oplosmiddelvrije methode voor het maken van een breed scala aan metaalsulfide-nanodeeltjes met behulp van een zwavelhoudende organische verbinding genaamd thioureum.

aanzienlijk, de beoogde sulfidematerialen kunnen zelfs in open lucht worden gesynthetiseerd. "Ons doel was om de synthese zowel eenvoudig als robuust te maken, ' zegt Takanabe.

Het team voegt thioureum en een oxide of nitraat van het metaal (of metalen) toe aan een smeltkroes. Bij verhitting tot een relatief lage temperatuur van ongeveer 200°C, het thioureum smelt. Dit levert de benodigde zwavelatomen en speelt ook dezelfde rol als oplosmiddel in een conventionele benadering, fungeren als de basiscentra die reageren met de metaalbron.

De onderzoekers gebruikten hun methode om complexe quaternaire metaalsulfide-nanodeeltjes te produceren, namelijk CuGa2In3S8. Er werd waargenomen dat zich tegelijkertijd een organisch polymeer rond de sulfide-nanodeeltjes vormde, het creëren van een afdeklaag. Ze karakteriseerden de materialen met behulp van solid-state nucleaire magnetische resonantie (NMR) -technieken en transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (TEM) om de morfologie ervan te onderzoeken en het afdekpolymeer te begrijpen.

Takanabe legt uit hoe het Imaging and Characterization Core Lab van KAUST cruciaal was bij deze stap. "In deze krant, het Core Lab voerde de materiaalanalyse uit met NMR en TEM, wat cruciaal was om de grootte van silica-nanodeeltjes te relateren aan hun diëlektrische eigenschappen. TEM-analyse produceerde de afbeeldingen van de nanodeeltjes, verkregen op nanometerschaal resolutie en maakte het dus gemakkelijk om de afmetingen van de nanodeeltjes te schatten. Bovendien, het elektronenprisma dat in het TEM-instrument was gemonteerd, maakte het mogelijk om de ruimtelijke verdelingen van samenstellende elementen in de nanodeeltjes te bepalen, die ook in dit werk even belangrijk bleek te zijn."

De resultaten laten zien dat een organisch koolstofnitridepolymeer zich controleerbaar vormt aan de buitenkant, toch hangt de exacte samenstelling van dit polymeer af van de synthesetemperatuur en de voorloperverhoudingen.

Takanabe's team gaf het nut van hun nanodeeltjes aan door ze te gebruiken als fotokatalysator voor waterstofevolutie, waar de giftige zwavelionen veilig worden gemaakt in een waterige oplossing. "Deze studie opent het nieuwe syntheseprotocol voor metaalsulfide-nanodeeltjes, die nuttig zijn voor verschillende toepassingen, ' zegt Takanabe.

"We hebben het geluk dat dit Core Lab onderzoekers hoogwaardige materiaalanalyse biedt door state-of-the-art instrumentatie en het beste talent aan te schaffen, " hij voegt toe.