制备新型材料的一种新合成方法

制备新型材料的一种新合成方法—PDII方法

2017-11-21 09:13:34 作者：本网发布来源：材料科技在线分享至：

上图为北海道大学新开发的质子驱动离子导入（PDII）方法的示意图。简单来讲：将电分解氢而产生的质子射入离子供应源处，然后，离子将会被迫离开源头处被引入主体材料中。来源：Fujioka M.等，Journal of the American Chemical Society，2017年11月16日

北海道大学的一个研究团队近期开发了一种称为质子驱动离子导入（PDII）的新型材料合成方法，其合成原理可以形象的表示为“离子台球”的现象。重要的是，这种新合成方法的出现为创造大批量新材料铺平了道路，更大幅推进了材料科学的发展。

北海道大学电子科学研究院助理教授Masaya Fujioka和Junji Nishii教授于2017年11月16日发表在Journal of American Chemical Society上的研究报告表明，该合成方法基于无液体工艺，即在这种工艺里允许某种物质嵌入从而将客体离子插入到主体材料中，所以这个新方法同样采用这种无液体工艺，即通过质子驱动离子来与主体材料中的离子进行离子取代。

在过去，早就有报道说明嵌入和离子取代在离子溶液中是可以进行的，但是研究人员认为该过程不仅是麻烦的而且是存在问题的。在基于液体的过程中，溶剂分子可以与客体离子一起插入主体材料中，从而降低主体材料结晶晶体质量。同时在基于液体过程中，将离子均匀地引入主体材料是困难的，而且一些主体材料在液体存在的条件下，可能会失效。

在PDII方法中，将数千伏的高电压施加到存有氢气的针形阳极上，以通过氢的电解质解离产生质子。质子沿着电场迁移并被射入所需离子的供给源处（这个过程极类似于我们打台球的过程），然后为保持电源的电中性离子将会被驱出。最后，离开源处的离子将会被引入或插入到主体材料的纳米级间隙中。

图为PDII方法的详细原理图。目的是将铜离子（Cu ）引入主体材料（TaS2）中。氢离子（H ）与磷酸盐玻璃中的氧离子化学键合从而产生钠离子（Na ），然后钠离子（Na ）再与CuI中的碘离子结合形成一种碘钠铜盐，从而产生铜离子（Cu ），最后将产生的Cu 射入TaS2的纳米级间隙中。在TaS2周围结晶出过量的Cu 将会形成的铜金属结晶（右图）。来源：Fujioka M.等，Journal of the American Chemical Society，2017年11月16日

在这项研究中，研究团队通过利用不同的材料作为离子源，成功地将锂离子（Li ），钠离子（Na ），钾离子（K ），铜离子（Cu ）和银离子（Ag 导入硫化钽（IV）（TaS2）的纳米级间隙，与此同死还保持其结晶性。此外，研究小组还成功地用K 取代了Na3V2（PO4）3的Na ，生成了一种热力学亚稳态物质，而该物质是用传统的固态反应方法无法获得的。

Masaya Fujioka 说“目前，我们已经表明，在我们的方法中可以使用氢离子（H ），Li ，Na ，K ，Cu 和Ag 来引入离子，我们期望可以使用更多种类的离子，将其导入各种主机材料。而且利用我们的方法可以生产许多新材料，特别是，建立一种引入带负电的离子和多价离子的方法，这将会促进固体离子电池和电子领域新功能材料的发展。”