Een team van onderzoekers van de Universiteit van Hokkaido heeft een nieuwe materiaalsynthesemethode ontwikkeld, proton-gedreven ionenintroductie (PDII) genaamd, die gebruik maakt van een fenomeen dat lijkt op 'ionbiljart'. De nieuwe methode zou de weg kunnen effenen voor het creëren van tal van nieuwe materialen, waardoor de materiaalwetenschappen drastisch vooruitgaan.

De synthesemethode is gebaseerd op een vloeistofvrij proces dat intercalatie mogelijk maakt - het inbrengen van gastionen in een gastheermateriaal - en ionensubstitutie met die in het gastheermateriaal door ionen met protonen aan te sturen. Deze studie, onder leiding van assistent-professor Masaya Fujioka en professor Junji Nishii van het onderzoeksinstituut voor elektrische wetenschap van de universiteit, werd gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society op 16 november.

conventioneel, intercalatie en ionensubstitutie zijn uitgevoerd in een ionenoplossing, maar het proces wordt als omslachtig en problematisch beschouwd. In een op vloeistof gebaseerd proces, oplosmiddelmoleculen kunnen samen met gastionen in de gastheermaterialen worden ingebracht, verslechtering van de kristalkwaliteit. Het is ook moeilijk om ionen homogeen in gastheermaterialen te introduceren, en sommige gastheermaterialen zijn niet geschikt bij gebruik met vloeistoffen.

Bij de PDII-methode, een hoogspanning van enkele kilovolts wordt toegepast op een naaldvormige anode die in atmosferische waterstof is geplaatst om protonen te genereren via de elektrolytische disassociatie van waterstof. De protonen migreren langs het elektrische veld en worden in de voedingsbron van de gewenste ionen geschoten - vergelijkbaar met ballen in biljart - en de ionen worden uit de bron verdreven om deze elektrisch neutraal te houden. Ionen die uit de bron worden gedwongen, worden geïntroduceerd, of geïntercaleerd, in een gat op nanometerniveau in het gastheermateriaal.

In dit onderzoek, door verschillende materialen als ionentoevoerbronnen te gebruiken, het team slaagde erin om lithiumionen homogeen te introduceren (Li ⁺ ), natriumionen (Na ⁺ ), kaliumionen (K ⁺ ), koperionen (Cu ⁺ ) en zilverionen (Ag ⁺ ) in gaten op nanometerniveau in tantaal (IV) sulfide (TaS2), een gelaagd materiaal, terwijl de kristalliniteit behouden blijft. Verder, het team met succes vervangen Na ⁺ van Na3V2(PO4)3 met K ⁺ , het produceren van een thermodynamisch metastabiel materiaal, die niet kunnen worden verkregen met behulp van de conventionele vaste-stofreactiemethode.

"Momenteel, we hebben aangetoond dat waterstofionen (H ⁺ ), Li ⁺ , nee ⁺ , K ⁺ , Cu ⁺ en Ag ⁺ kan worden gebruikt om ionen in onze methode te introduceren, en we verwachten dat een grotere verscheidenheid aan ionen bruikbaar zal zijn. Door ze te combineren met verschillende gastmaterialen, onze methode zou de productie van tal van nieuwe materialen mogelijk maken, ", zegt Masaya Fujioka. "In het bijzonder, als er een methode is vastgesteld om negatief geladen ionen en multivalente ionen te introduceren, het zal de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen op het gebied van vaste ionenbatterijen en elektronica stimuleren."