Mangaanoxiden hebben talloze toepassingen in batterijen, supercondensatoren, micro-elektronica en (elektro)katalyse - die allemaal enorm kunnen profiteren van conform gedeponeerd MnO ₂ op structuren met een hoge aspectverhouding, bijv. 3-D batterijstroomafnemers, of katalytische dragers met een groot specifiek oppervlak.

Onlangs gepubliceerd in ACS Chemie van materialen , onderzoekers van imec, KU Leuven en Universiteit Gent ontwikkelden een goedkope en snelle methode voor het deponeren van conforme dunne films van MnO ₂ op nanogestructureerde substraten met bijna een monolaag precisie, concurreren met de state-of-the-art atomic layer deposition (ALD).

De nieuwe methode is geïnspireerd op de demonstratie van een redoxreactie in de eerste klas van de middelbare school, waarbij waterig kaliumpermanganaat (KMnO ₄ ) wordt gereduceerd met een alcohol (bijv. ethanol) bij een neutrale pH, vorming van vast MnO ₂ in het grootste deel van de oplossing. Bij de nieuwe methode de hoeveelheid zoals gevormd MnO ₂ was beperkt tot een monolaag door gebruik te maken van waterige propargylalcohol - een onverzadigde alcohol die sterk chemisorbeert op verschillende substraten, waardoor de hoeveelheid ervan tot een monolaag kan worden verminderd voor de daaropvolgende reactie met KMnO ₄ . Dus, de methode bestaat uit het herhalen van cycli van oppervlaktebeperkte adsorptie van propargylalcohol en de daaropvolgende oxidatie met waterig kaliumpermanganaat, het vormen van een controleerbare hoeveelheid MnO ₂ op het substraat in elke cyclus.

Omdat de hoeveelheid mangaanoxide die in elke cyclus wordt gevormd, wordt beperkt door de monolaaghoeveelheid van de geadsorbeerde alcohol, de groei vertoont de zelfbeperkende kenmerken van atomaire laagafzetting (ALD). Deze state-of-the-art techniek is gebaseerd op een cyclische reactie van gasvormige voorlopers op een oppervlak, en zorgt doorgaans voor de hoogste conformiteit van de coating en controle van de dikte van de sub-monolaag, ten koste van een zeer lage depositiesnelheid, behoefte aan verhoogde temperaturen, dure voorlopers en complexe, thermisch geïsoleerde gasdichte reactoren.

In tegenstelling tot de typische ALD, de nieuwe redoxlaagafzetting (RLD) wordt uitgevoerd in de lucht, op kamertemperatuur, met behulp van gewone en goedkope chemicaliën en eenvoudig glaswerk - letterlijk, twee bekers. Dit vermindert de kosten en complexiteit van de depositie aanzienlijk, waardoor het toegankelijk is voor vrijwel elk laboratorium of productiebedrijf. De methode laat ook minimaal 4x hogere groei per cyclus zien en is minimaal 1,5x sneller dan het bekende ALD-proces van MnO ₂ dankzij de hoge adsorptiedichtheid van de alcoholmoleculen en MnO ₄ ^- ionen op de substraten. De RLD-methode werd ook met succes gebruikt om complexe 3D-onderling verbonden Ni-nanodraden te coaten met dunne MnO ₂ , die niet kon worden uitgevoerd met de typische thermische ALD.

Dit werk is de eerste demonstratie van een ALD-achtige groei van een metaaloxide die volledig in de waterige fase en in de open lucht wordt uitgevoerd. Dit is een belangrijke onderscheidende factor van de weinige eerder gerapporteerde ALD-processen in de vloeibare fase van sommige metaaloxiden (bijv. MnO _x , TiO ₂ of MgO), die allemaal gebruik maakten van watergevoelige voorlopers opgelost in organische oplosmiddelen en, dus, vereiste watervrije omstandigheden en een neutrale gasomgeving van een handschoenenkastje of een Schlenk-lijn. Hoewel momenteel beperkt tot substraten gemaakt van overgangsmetalen (bijv. Ni, Ti, Pt) en hun oxiden (bijv. TiO ₂ ), het assortiment compatibele substraten kan in de toekomst worden uitgebreid tot b.v. Al ₂ O ₃ of SiO ₂ , door geschikte organische adsorbaten te kiezen. Ook, de RLD-methode zou kunnen worden getest op het afzetten van andere oxiden dan MnO ₂ , door verschillende metaalcomplexen te gebruiken die onoplosbare producten vormen tijdens de redoxreactie.

Algemeen, dankzij zijn eenvoud, de conforme afzetting van MnO ₂ kan gemakkelijk worden opgeschaald en dus worden benut voor zijn talrijke (elektro)chemische toepassingen.