Новый метод синтеза гетерометаллических нанолистов для электроники и катализа

/ НаукаНовости / Наука

Механизм последовательного синтеза с использованием коллоидных растворов ионов металлов, таких как никель (Ni), медь (Cu) и цинк (Zn), вместе с раствором бензолгексатиола (BHT), позволяет избирательно создавать высокопроводящие координационные нанолисты, ограничивая реакцию одной фазой. Автор: профессор Хироши Нишихара из Токийского университета науки, Япония. Источник изображения: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202503227

Координационные нанолисты — это уникальный класс двумерных (2D) материалов, формирующихся за счёт координационных связей между плоскими органическими лигандами и ионами металлов. Эти 2D-наноматериалы активно применяются в накопителях энергии, электронных устройствах и катализаторах на основе электродов благодаря своим превосходным электронным, оптическим, редокс-свойствам и каталитической активности.

За последнее десятилетие в лабораториях успешно синтезировали координационные нанолисты, состоящие из различных ионов переходных металлов, таких как никель (Ni), связанный с бензолгексатиолом (BHT) — органическим соединением. Однако их производство основывалось на двухфазной межфазной реакции между двумя несмешивающимися фазами вещества.

Кроме того, избирательный синтез хорошо организованных гетерометаллических нанолистов, содержащих два или более иона металла, оказался сложной задачей. Чтобы решить эти две ключевые проблемы, ограничивающие производство новых координационных нанолистов, команда исследователей под руководством профессора Хироши Нишихары из Научно-исследовательского института науки и технологий (RIST) Токийского университета науки (TUS) провела серию инновационных экспериментов.

В состав исследовательской группы вошли Мию Ито, магистрант TUS, проектные исследователи доктор Наоя Фукуи и доктор Кендзи Такада, а также доктор Хироаки Маэда, преподаватель TUS. Их результаты были опубликованы онлайн в журнале Small 5 мая 2025 года и выбраны для обложки выпуска.

«При использовании ионов Ni в двухфазной межфазной реакции получаются пористые структуры никельдитиолена (NiDT) и непористые структуры NiBHT. Однако рациональный метод их избирательного синтеза до сих пор не был полностью установлен», — объясняет профессор Нишихара мотивацию исследования.

Исследователи использовали однофазную реакцию ионов Ni2+ и BHT для формирования коллоидных растворов координационных нанолистов. Примечательно, что, контролируя молярное соотношение ионов Ni2+ и BHT, учёные смогли избирательно синтезировать нужные координационные нанолисты в однофазной реакции. Полученные коллоидные координационные нанолисты можно использовать в качестве чернил для покрытия субстратов или электродов либо в качестве растворов для последующих химических реакций.

Трансметаллирующая реакция плёнки NiBHT. a) Элементное картирование SEM-EDS для NiBHT, tm-NiCu2BHT и tm-CuBHT. b) Поперечное картирование STEM-EDS для tm-NiCu2BHT. c) Кинетический анализ процесса трансметаллирования. Красная пунктирная линия показывает 1/3, что соответствует доле Ni в NiCu2BHT. d) Пошаговый процесс трансметаллирования от NiBHT к tm-CuBHT через метастабильный tm-NiCu2BHT. Автор: Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202503227

Для проверки полезности координационных нанолистов в коллоидных растворах исследователи покрыли стеклоуглерод (GC) NiDT и NiBHT. Последующий электрохимический анализ показал, что NiDT демонстрирует широкую редокс-волну, указывающую на пористую структуру, тогда как непористый NiBHT не показал редокс-волны при соответствующем потенциале. Дальнейшие испытания электрода, покрытого NiDT, выявили высокий потенциал для реакции выделения водорода в качестве катализатора.

Вдохновившись результатами, команда успешно синтезировала коллоидные растворы нанолистов, содержащих медь (Cu), связанную с BHT, и цинк (Zn), связанный с BHT. Кроме того, добавляя ионы Cu2+ в коллоидный раствор NiDT с непрореагировавшим BHT, они смогли получить нанолисты NiCu2BHT, где ионы Cu2+ внедрялись в поры NiDT. По аналогичной стратегии были приготовлены координационные нанолисты NiZn2BHT — новые соединения, полученные введением ионов Zn2+ в коллоидный раствор NiDT.

Помимо коллоидных растворов, исследователи обратили внимание на трансметаллирующую реакцию — тип металлоорганической реакции, при которой ионы металлов в координационном центре заменяются другими ионами для получения гетерометаллических координационных нанолистов. Примечательно, что первый этап трансметаллирующей реакции NiBHT с ионами Cu2+ привёл к образованию нанолистов NiCu2BHT.

«NiCu2BHT обладает высокой кристалличностью и электропроводностью и может использоваться в различных электронных приложениях. Это демонстрирует превосходство структуры и физических свойств гетерометаллических координационных нанолистов с определённой структурой», — отмечает профессор Нишихара.

В целом, это исследование раскрывает два новых пути синтеза высокопроводящих координационных нанолистов в форме, напоминающей чернила, которые можно наносить на различные субстраты и использовать в качестве химических реагентов.

«Первые чернила на основе координационных нанолистов позволили массово производить их с помощью печатных технологий и напрямую применять в устройствах, что стало важным шагом в их практическом использовании в качестве гибкой электроники следующего поколения, катализаторов производства водорода и сенсорных материалов», — подчеркивает профессор Нишихара.

Благодаря работе учёных TUS потенциал недорогих высокопроизводительных наноматериалов может быть реализован, что приведёт к созданию устойчивого и энергоэффективного общества.

Дополнительная информация: Miyu Ito et al, Rationally Engineered Heterometallic Metalladithiolene Coordination Nanosheets with Defined Atomic Arrangements, Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202503227

Источник: Tokyo University of Science

Подписаться на обновления Новости / Наука
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы отключить рекламу

ℹ️ Помощь от ИИ

В статье есть ошибки или у вас есть вопрос? Попробуйте спросить нашего ИИ-помощника в комментариях и он постарается помочь!

⚠️ Важно:

• AI Rutab читает ваши комментарии и готов вам помочь.
• Просто задайте вопрос 👍
• ИИ может давать неточные ответы!
• ИИ не скажет «Я не знаю», но вместо этого может дать ошибочный ответ.
• Всегда проверяйте информацию и не полагайтесь на него как на единственный источник.
• К ИИ-помощнику можно обратиться по имени Rutab или Рутаб.

Топ дня 🌶️


0 комментариев

Оставить комментарий


Все комментарии - Наука