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制備新型材料的一種新合成方法—PDII方法

2017-11-21 09:13:34 作者：本網發布來源：材料科技在線分享至：

上圖為北海道大學新開發的質子驅動離子導入（PDII）方法的示意圖。簡單來講：將電分解氫而產生的質子射入離子供應源處，然后，離子將會被迫離開源頭處被引入主體材料中。來源：Fujioka M.等，Journal of the American Chemical Society，2017年11月16日

北海道大學的一個研究團隊近期開發了一種稱為質子驅動離子導入（PDII）的新型材料合成方法，其合成原理可以形象的表示為“離子臺球”的現象。重要的是，這種新合成方法的出現為創造大批量新材料鋪平了道路，更大幅推進了材料科學的發展。

北海道大學電子科學研究院助理教授Masaya Fujioka和Junji Nishii教授于2017年11月16日發表在Journal of American Chemical Society上的研究報告表明，該合成方法基于無液體工藝，即在這種工藝里允許某種物質嵌入從而將客體離子插入到主體材料中，所以這個新方法同樣采用這種無液體工藝，即通過質子驅動離子來與主體材料中的離子進行離子取代。

在過去，早就有報道說明嵌入和離子取代在離子溶液中是可以進行的，但是研究人員認為該過程不僅是麻煩的而且是存在問題的。在基于液體的過程中，溶劑分子可以與客體離子一起插入主體材料中，從而降低主體材料結晶晶體質量。同時在基于液體過程中，將離子均勻地引入主體材料是困難的，而且一些主體材料在液體存在的條件下，可能會失效。

在PDII方法中，將數千伏的高電壓施加到存有氫氣的針形陽極上，以通過氫的電解質解離產生質子。質子沿著電場遷移并被射入所需離子的供給源處（這個過程極類似于我們打臺球的過程），然后為保持電源的電中性離子將會被驅出。最后，離開源處的離子將會被引入或插入到主體材料的納米級間隙中。

圖為PDII方法的詳細原理圖。目的是將銅離子（Cu ）引入主體材料（TaS2）中。氫離子（H ）與磷酸鹽玻璃中的氧離子化學鍵合從而產生鈉離子（Na ），然后鈉離子（Na ）再與CuI中的碘離子結合形成一種碘鈉銅鹽，從而產生銅離子（Cu ），最后將產生的Cu 射入TaS2的納米級間隙中。在TaS2周圍結晶出過量的Cu 將會形成的銅金屬結晶（右圖）。來源：Fujioka M.等，Journal of the American Chemical Society，2017年11月16日

在這項研究中，研究團隊通過利用不同的材料作為離子源，成功地將鋰離子（Li ），鈉離子（Na ），鉀離子（K ），銅離子（Cu ）和銀離子（Ag 導入硫化鉭（IV）（TaS2）的納米級間隙，與此同死還保持其結晶性。此外，研究小組還成功地用K 取代了Na3V2（PO4）3的Na ，生成了一種熱力學亞穩態物質，而該物質是用傳統的固態反應方法無法獲得的。

Masaya Fujioka 說“目前，我們已經表明，在我們的方法中可以使用氫離子（H ），Li ，Na ，K ，Cu 和Ag 來引入離子，我們期望可以使用更多種類的離子，將其導入各種主機材料。而且利用我們的方法可以生產許多新材料，特別是，建立一種引入帶負電的離子和多價離子的方法，這將會促進固體離子電池和電子領域新功能材料的發展。”