Heterometallische nanosheets die meerdere metaalionen bevatten die haalbaar zijn via nieuwe techniek

Coördinatie nanosheets zijn een unieke klasse tweedimensionale (2D) materialen die worden gevormd door coördinatiebindingen tussen vlakke organische liganden en metaalionen. Deze 2D-nanomaterialen worden in toenemende mate gebruikt in energieopslag, elektronische apparaten en als op elektrode gebaseerde katalysatoren vanwege hun uitstekende elektronische, optische, redox-eigenschappen en katalytische activiteit.

In het afgelopen decennium zijn coördinatie nanosheets samengesteld uit verschillende overgangsmetaalionen, zoals nikkel (NI) ionen gekoppeld aan benzeenhexathiol (BHT) – een organische verbinding – zijn succesvol gesynthetiseerd in laboratoria. Hun productie is echter gebaseerd op een tweefasige grensvlakreactie die optreedt tussen twee niet-mengbare fasen van materie.

Bovendien is de selectieve synthese van goed georganiseerde heterometallische nanosheets, die twee of meer metaalionen bevatten, moeilijk gebleken. Om deze twee belangrijke kwesties aan te pakken die de productie van nieuwe coördinatie nanosheets beperken, heeft een team van onderzoekers onder leiding van professor Hiroshi Nishihara, van het Research Institute for Science and Technology (RIST), Tokyo University of Science (TUS), Japan, een reeks innovatieve experimenten uitgevoerd.

Het onderzoeksteam bestond uit Miyu Ito, een masterstudent aan TUS, projectonderzoekers Dr. Naoya Fukui en Dr. Kenji Takada en Dr. Hiroaki Maeda, docent bij Tus. Hun bevindingen werden online gepubliceerd in het tijdschrift Klein op 5 mei 2025, en geselecteerd als de voorklep van het probleem.

“Wanneer Ni-ionen worden gebruikt in de tweefasige interfaciale reactie, worden poreus nickelladithioleen (NIDT) en niet-poreuze NIBHT-structuren verkregen. Een rationele methode voor het selectief synthetiseren van ze is echter tot nu toe niet volledig vastgesteld,” zegt Prof. Nishihara, die de motivatie achter de huidige studie uitlegt.

De onderzoekers gebruikten een enkele fase reactie van Ni²⁺ ionen en BHT om colloïdale oplossingen van coördinatie te vormen nanosheets. Met name door de molaire verhouding van Ni te regelen²⁺ Ionen en BHT, de onderzoekers konden selectief coördinatie nanosheets van interesse synthetiseren in een enkele fase reactie. De bereide colloïdale coördinatie nanosheets kunnen verder worden gebruikt als inkten om substraten of elektroden te vatten, of als oplossingen voor daaropvolgende chemische reacties.

Om het nut van coördinatie nanosheets in colloïdale oplossingen te valideren, bedekten de onderzoekers glazige koolstof (GC) met NIDT en Nibht. Tijdens de daaropvolgende elektrochemische analyse vertoonde NIDT een brede redoxgolf, hetgeen een poreuze structuur aangeeft, terwijl niet-poreuze NIBHT geen redoxgolf vertoonde bij het overeenkomstige potentieel. Verder testen van de NIDT-gecoate GC-elektrode onthulde een hoog potentieel voor de waterstofevolutiereactie als katalysator.

Het team haalde inspiratie uit hun onderzoeksresultaten en heeft met succes colloïdale nanosheet -oplossingen gesynthetiseerd die koper (CU) bevatten die zijn gekoppeld aan BHT en zink (Zn) gekoppeld aan BHT. Verder door Cu toe te voegen²⁺ ionen naar de NIDT -colloïdale oplossing die niet -gereageerde BHT bevatte, ze konden NICU genereren₂BHT nanosheets, waar de cu²⁺ ionen kunnen worden geïntroduceerd in de poriën van NIDT. Door een vergelijkbare strategie, coördinatie nanosheets van nizn₂BHT, nieuwe verbindingen werden opgesteld door Zn te introduceren²⁺ ionen in NIDT colloïdale oplossing.

Naast het gebruik van colloïdale oplossingen, richtten de onderzoekers hun aandacht op een transmetallatiereactie – een type organometallische reactie waarbij metaalionen in het coördinatiecentrum worden vervangen door andere ionen om heterometaalcoördinatie nanosheets te produceren. Opmerkelijk is dat de eerste stap van de transmetallatiereactie van Nibht met Cu²⁺ Metaalionen resulteerden in NICU₂BHT nanosheets.

“Nicu₂BHT heeft een hoge kristalliniteit en elektrische geleidbaarheid en kan worden gebruikt in diverse elektronische toepassingen. Dit toont de superioriteit van de structuur en de fysieke eigenschappen van heterometallische coördinatie nanosheets met een gedefinieerde structuur, “zegt prof. Nishihara.

Samengevat onthult deze studie twee nieuwe syntheseroutes om zeer geleidende coördinatie nanosheets in een inktachtige vorm te produceren, die verder kunnen worden toegepast als coatings op verschillende substraten en gebruikt als chemische reactanten.

Prof. Nishihara besluit door de toekomstige toepassingen van het huidige onderzoek te benadrukken, “de eerste inkt gemaakt van coördinatie nanosheets heeft het mogelijk gemaakt om ze massaal te produceren met behulp van printtechnologie en om ze rechtstreeks toe te passen op apparaten, een belangrijke stap vooruit in hun praktische gebruik als flexibele elektronische apparaten van de volgende generatie, flexibele elektronische apparaten, hydrogenproductiekatalysts en sensormaterialen en sensormaterialen.”

Dankzij de onderzoekers van TU’s kunnen de belofte en het potentieel van goedkope, krachtige nanomaterialen worden gerealiseerd, wat leidt tot een duurzame en energie-efficiënte samenleving.