Een onderzoeksteam van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) en de Carleton University in Ottawa heeft een roman gemaakt, zeer veelzijdige kobaltverbinding. De moleculen van de verbinding zijn stabiel, extreem compact en hebben een laag molecuulgewicht zodat ze kunnen worden verdampt voor de productie van dunne films. Overeenkomstig, ze zijn interessant voor toepassingen zoals de productie van batterijen of accu's. Door hun speciale geometrie, de verbinding heeft ook een zeer ongebruikelijke spinconfiguratie van ½. Zo'n kobaltverbinding is voor het laatst beschreven in 1972. Het team publiceerde hun rapport in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie vanaf 5 mei 2020.

De geometrie maakt het verschil

"De weinige bekende kobalt(IV)-verbindingen vertonen een hoge thermische instabiliteit en zijn erg gevoelig voor blootstelling aan lucht en vocht. Dit belemmert hun implementatie als modelsystemen voor brede reactiviteitsstudies of als voorlopers in materiaalsynthese, " legt hoofdauteur David Zanders van de onderzoeksgroep Inorganic Materials Chemistry in Bochum uit, onder leiding van professor Anjana Devi. In zijn lopende binationale Ph.D. projecteren, die is overeengekomen door de Ruhr Universiteit en de Carleton Universiteit door middel van een Cotutelle-overeenkomst, David Zanders en zijn Canadese collega's Professor Seán Barry en Goran Bačić ontdekten een kobalt(IV)-verbinding met deze eigenschappen die ook een ongewoon hoge stabiliteit vertoont.

Op basis van theoretische studies, de onderzoekers toonden aan dat een bijna orthogonale inbedding van het centrale kobaltatoom in een tetraëdrisch gerangschikte omgeving van verbonden atomen - zogenaamde liganden - de sleutel is tot het stabiliseren van de verbinding. Deze specifieke geometrische rangschikking binnen de moleculen van de nieuwe verbinding versterkt ook de ongewone elektronenspin van het centrale kobaltatoom. "Onder deze buitengewone omstandigheden, de spin kan maar de helft zijn, ", zegt David Zanders. Een kobaltverbinding met deze spintoestand en vergelijkbare geometrie is al bijna 50 jaar niet beschreven.

Na een reeks experimenten, het team toonde ook aan dat de verbinding een hoge vluchtigheid heeft en vrijwel zonder ontbinding kan worden verdampt bij temperaturen tot 200 graden Celsius, wat ongebruikelijk is voor kobalt(IV).

Veelbelovende kandidaat voor ultradunne lagen

Individuele moleculen van de verbinding hechten na verdamping op een gecontroleerde manier aan oppervlakken. "Dus, aan de meest fundamentele vereiste van een potentiële voorloper voor afzetting van atomaire lagen is voldaan, ", zegt Seán Barry. "Deze techniek wordt steeds belangrijker in de fabricage van industriële materialen en apparaten, en onze kobalt(IV)-verbinding is de eerste in zijn soort die geschikt is voor dit doel."

"Onze ontdekking is nog spannender omdat de hoogwaardige oxiden en sulfiden van kobalt worden beschouwd als een groot potentieel voor moderne batterijsystemen of micro-elektronica, ", voegt Anjana Devi toe. Na veelvuldig opladen en ontladen, elektroden in oplaadbare batterijen worden steeds onstabieler, daarom zijn onderzoekers op zoek naar stabielere en, bijgevolg, duurzamere materialen voor hen. Tegelijkertijd, ze richten zich ook op het gebruik van nieuwe productietechnieken.

"Deze binationale samenwerking, die werd geïnitieerd door David Zanders, heeft de creativiteit en complementaire expertise van chemische ingenieurs uit Bochum en Ottawa gebundeld. Dit alles heeft onverwachte resultaten opgeleverd en was zeker de sleutel tot succes, " besluit Anjana Devi.