Amorfe nanosheets gemaakt met behulp van moeilijk te synthetiseren metaaloxiden en oxyhydroxiden

Onderzoekers van de Nagoya Universiteit in Japan hebben een belangrijke uitdaging op het gebied van nanosheettechnologie aangepakt. Hun innovatieve aanpak maakt gebruik van oppervlakteactieve stoffen om amorfe nanosheets te produceren uit verschillende materialen, waaronder moeilijk te synthetiseren ultradunne amorfe metaaloxiden zoals aluminium en rhodium. Deze doorbraak, gepubliceerd in Natuurcommunicatievormt de weg voor toekomstige vooruitgang bij de toepassing van deze nanosheets, zoals die worden gebruikt in brandstofcellen.

De komende generatie nanotechnologie vereist componenten die slechts enkele nanometers dik zijn. Deze ultradunne lagen, die essentieel zijn voor het verbeteren van de functionaliteit, staan ​​bekend als nanosheets.

Hun kleine omvang levert echter problemen op voor katalytische reacties. Veel van deze platen behouden een regelmatige vorm met minimale defecten. Maar de katalyse is voor haar reacties over het algemeen afhankelijk van deze defecten.

Bovendien is de productie ervan een uitdaging vanwege de afwezigheid van laagjes, waardoor traditionele exfoliatietechnieken die afhankelijk zijn van laagjes ineffectief worden. Deze beperking heeft hun productie beperkt tot typische materialen, zoals koolstof en silica, in plaats van metaaloxiden en oxyhydroxiden met behulp van materialen zoals rhodium die nuttig zijn in de technologie.

Om deze kloof te overbruggen heeft een onderzoeksgroep onder leiding van assistent-professor Eisuke Yamamoto en professor Minoru Osada van het Institute for Materials and Systems Research (IMaSS) van de Universiteit van Nagoya een aanpasbare synthesemethode bedacht.

Het proces begint met een oppervlakteactieve stof in vaste toestand, die helpt bij het ordenen van de metaalionen binnen het raamwerk, vooral in de gebieden tussen de lagen, ook wel de tussenlaagruimte genoemd. Omdat amorfe nanosheets geen lagen hebben, dienen de oppervlakteactieve lagen als vervanging.

Osada is enthousiast over de schoonheid van het proces. “De daadwerkelijk gesynthetiseerde oppervlakteactieve kristallen zijn prachtig onder een optische microscoop”, zegt hij. “Het is mogelijk om een ​​verscheidenheid aan metaalionen in deze oppervlakteactieve kristallen op te sluiten en een verscheidenheid aan kristallen te creëren.”

Vervolgens wordt water toegevoegd, dat een interactie aangaat met de metaalionen die in de oppervlakteactieve lagen zijn gerangschikt. Het veroorzaakt een reactie die bekend staat als hydrolyse en die leidt tot de gedeeltelijke afbraak van deze ionen en de vorming van kleine, geïsoleerde clusters.

De clusters kunnen in een georganiseerde structuur worden gerangschikt met behulp van een oplosmiddel, met name een chemische stof die formamide wordt genoemd. Deze organisatie wordt gestuurd door de initiële kristalvormen van de oppervlakteactieve stof via een proces dat bekend staat als templaten, waarbij de metaalclusters vellen creëren die de vorm van de oppervlakteactieve kristallen repliceren.

Deze methode creëerde amorfe nanosheets van ongeveer 1,5 nm dik met behulp van galliumionen. Voortbouwend op dit succes pasten Yamamoto en Osada de techniek toe om andere te synthetiseren uit uitdagende metaaloxiden en oxyhydroxiden zoals aluminium en rhodium.

“Amorfe nanosheets op deze schaal zouden een uitstekende katalytische activiteit moeten hebben, toegeschreven aan talrijke defecten die voortvloeien uit hun wanordelijke structuur”, legt professor Osada uit. “Deze defecten zijn uitstekende actieve plaatsen voor katalytische reacties. Deze amorfe vellen bieden een heel andere functionaliteit vergeleken met traditionele nanosheets.”

Deze innovatieve methode synthetiseert niet alleen een verscheidenheid aan nanoplaten met verschillende metaalsoorten, maar maakt ook de combinatie van meerdere metaalsoorten in één plaat mogelijk, waardoor deuren worden geopend naar nieuwe materialen en eigenschappen.

“De nieuwe klassen materialen die via deze techniek worden gesynthetiseerd, zullen naar verwachting vooruitgang boeken op het gebied van tweedimensionale en amorfe materialen, wat mogelijk kan leiden tot nieuwe fysieke eigenschappen en toepassingen”, zegt Osada.

Omdat katalytische reacties belangrijk zijn in brandstofcellen, zijn de onderzoekers enthousiast over het vooruitzicht dat hun onderzoek zal worden gebruikt om de volgende generatie milieuvriendelijke energie op te wekken.