Wetenschap
Het versnellen van de ontdekking van nieuwe materialen via de ionenuitwisselingsmethode
Onderzoekers van Tohoku University hebben een nieuwe manier onthuld om te voorspellen hoe nieuwe materialen via de ionenuitwisseling kunnen worden gesynthetiseerd. Gebaseerd op computersimulaties, vermindert de methode de tijd en energie die nodig is voor het zoeken naar anorganische materialen aanzienlijk.
Details van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Chemistry of Materials op 17 april 2024.
In de zoektocht naar nieuwe materialen die milieuvriendelijke en efficiënte energietechnologieën mogelijk maken, vertrouwen wetenschappers regelmatig op de hogetemperatuurreactiemethode om anorganische materialen te synthetiseren. Wanneer de grondstoffen worden gemengd en tot zeer hoge temperaturen worden verwarmd, worden ze in atomen gesplitst en vervolgens weer samengevoegd tot nieuwe stoffen. Maar deze aanpak heeft enkele nadelen. Alleen materialen met de meest energetisch stabiele kristalstructuur kunnen worden gevormd, en het is niet mogelijk materialen te synthetiseren die bij hoge temperaturen zouden ontbinden.
Integendeel, de ionenuitwisselingsmethode vormt nieuwe materialen bij relatief lage temperaturen. Ionen uit bestaande materialen worden uitgewisseld met ionen met een vergelijkbare lading uit andere materialen, waardoor nieuwe anorganische stoffen ontstaan. De lage synthesetemperatuur maakt het mogelijk verbindingen te verkrijgen die niet beschikbaar zouden zijn via de gebruikelijke reactiemethode bij hoge temperaturen.
Ondanks het potentieel ervan heeft het ontbreken van een systematische aanpak voor het voorspellen van geschikte materiaalcombinaties voor ionenuitwisseling de wijdverbreide toepassing ervan belemmerd, waardoor moeizame experimenten met vallen en opstaan noodzakelijk waren.
"In onze studie voorspelden we de haalbaarheid van materialen die geschikt zijn voor ionenuitwisseling met behulp van computersimulaties", zegt Issei Suzuki, senior assistent-professor aan het Institute of Multidisciplinaire Research for Advanced Materials van Tohoku University, en co-auteur van het artikel.
Bij de simulaties werd het potentieel voor ionenuitwisselingsreacties tussen ternaire oxiden van het wurtziet-type en halogeniden/nitraten onderzocht. Specifiek voerden Suzuki en zijn collega's simulaties uit op 42 combinaties van β-M I GaO2 , M I =Na, Li, Cu, Ag als voorlopers, en halogeniden en nitraten als ionenbronnen.
De simulatieresultaten waren onderverdeeld in drie categorieën:'ionenuitwisseling vindt plaats', 'er vindt geen ionenuitwisseling plaats' en 'gedeeltelijke ionenuitwisseling vindt plaats (er wordt een vaste oplossing gevormd). Om hun resultaten te bevestigen, hebben de onderzoekers de simulatie geverifieerd door middel van daadwerkelijke experimenten, waarbij werd bevestigd dat een overeenkomst tussen simulatie en experimenten in alle 42 combinaties.
Suzuki gelooft dat hun vooruitgang de ontwikkeling van nieuwe materialen die geschikt zijn voor verbeterde energietechnologieën zal versnellen. "Onze bevindingen hebben aangetoond dat het mogelijk is om te voorspellen of ionenuitwisseling haalbaar is en om reacties vooraf te ontwerpen zonder experimenteel vallen en opstaan. In de toekomst zijn we van plan deze methode te gebruiken om te zoeken naar materialen met nieuwe en aantrekkelijke eigenschappen die problemen kunnen aanpakken energieproblemen."