Wetenschap
Nieuw onderzoek zou een meer – en efficiëntere – synthese van metastabiele materialen mogelijk kunnen maken
Ionenuitwisseling is een krachtige techniek om het ene materiaal in het andere om te zetten bij het synthetiseren van nieuwe producten. In dit proces weten wetenschappers welke reactanten tot welke producten leiden, maar hoe het proces werkt (het exacte traject hoe het ene materiaal in het andere kan worden omgezet) is ongrijpbaar gebleven.
In een artikel gepubliceerd in Nature Materials werpt een team van onderzoekers van de UChicago Pritzker School of Molecular Engineering nieuw licht op dit mysterie. Bij onderzoek naar lithiumkathodematerialen voor batterijopslag heeft een team van het Liu Lab aangetoond dat er een algemene route bestaat voor de uitwisseling van lithium- en natriumionen in gelaagde oxidekathodematerialen.
"We hebben systematisch het ionenuitwisselingsproces in lithium en natrium onderzocht", zegt eerste auteur Yu Han, een Ph.D. kandidaat bij PME. "De ionenuitwisselingsroute die we hebben onthuld is nieuw."
Door te helpen uitleggen hoe het ionenuitwisselingsproces werkt, opent dit artikel de deuren voor onderzoekers die met metastabiele materialen werken, dat wil zeggen materialen die momenteel niet in hun meest stabiele vorm verkeren. Het kan ook leiden tot nieuwe innovaties op het gebied van atoomefficiënte productie, waarbij minder van de uitgangsvoorlopers worden gebruikt en minder afval ontstaat bij het synthetiseren van materialen.
"Het zal de familie van metastabiele materialen die mensen kunnen synthetiseren uitbreiden", zegt PME Asst. Prof. Chong Liu.
Nieuwe methoden
Hoewel de potentiële toepassingen resoneren tijdens de materiaalsynthese, begon het artikel met de productie van lithium voor batterijkathodes. Nu de klimaatverandering de wereld wegduwt van fossiele brandstoffen, zijn er meer en betere batterijen nodig om hernieuwbare energie op te slaan.
"De oude methode van vaste-stofsynthese zou zijn dat je een zout kiest dat de elementen bevat die je wilt synthetiseren. Vervolgens combineer je ze met de juiste verhouding van elk element," zei Liu. "Dan verbrand je het."
Het verbranden van de lithiumprecursoren bij 800–900 graden Celsius is echter effectiever als er met stabiele materialen wordt gewerkt. In gevallen waarin de metastabiele vorm interessante eigenschappen had die theoretisch geweldige batterijkathodes zouden kunnen zijn, duwden de hoge temperaturen de materialen in een nieuwe staat die stabieler was, maar vaak zonder de interessante eigenschappen.
Ionenuitwisseling is echter een synthesemethode die kan worden uitgevoerd bij kamertemperatuur of bij relatief lage temperaturen van 100 graden Celsius.
"Ionenuitwisseling bij kamertemperatuur stelt ons in staat toegang te krijgen tot die metastabiele gelaagde oxiden, die niet direct kunnen worden gesynthetiseerd via vastestofsynthese bij verhoogde temperatuur, maar die mogelijk zijn uitgerust met unieke chemische en fysische eigenschappen", aldus Han.
Bij ionenuitwisseling worden de zouten niet verbrand maar opgelost, waardoor ionen met dezelfde lading ongewenste ionen vervangen. Het stelt onderzoekers in staat de chemische samenstelling te variëren terwijl een solide raamwerk behouden blijft:alleen de ionen worden uitgewisseld. Maar ook dit had zijn nadelen. Het proces was van oudsher arbeidsintensief en gebaseerd op vallen en opstaan.
De inzichten uit het artikel van het PME-team zullen onderzoekers in staat stellen niet alleen de uiteindelijke composities en fasen te voorspellen, maar ook de tussenliggende toestanden om de kinetische routes in kaart te brengen.
De PME-onderzoekers hebben hun inzichten over de ionenuitwisselingsroutes al in de praktijk omgezet, waardoor wat Han 'een zeer efficiënte manier' noemde om lithium (Li) uit natrium (Na) en weer terug te synthetiseren. Het artikel demonstreert voor het eerst de synthese van zuivere fase natriumkobaltoxide uit het oorspronkelijke lithiumkobaltoxide en ook lithiumkobaltoxide uit natriumkobaltoxide bij 1-1000 Li-Na (molaire verhouding) met elektrochemisch geassisteerde ionenuitwisselingsmethode door het verminderen van de kinetische barrières.
Het team hoopt dat toekomstige vernieuwers verder zullen gaan en efficiëntere, minder verspillende processen zullen creëren voor het synthetiseren van materialen die de mensheid nodig heeft voor klimaatverandering of andere dringende mondiale behoeften.
"In de productie leggen mensen nu de nadruk op atomaire efficiëntie, wat betekent dat je de minste hoeveelheid materiaal moet gebruiken om te krijgen wat je wilt," zei Liu.