Прусская синь впервые за 300 лет обрела октаэдрическую форму

Схематическая иллюстрация механизма формирования частиц октаэдрической прусской сини на основе глицерина. Автор: POSTECH

Впервые за более чем три столетия прусская синь — вещество, долгое время остававшееся в жесткой кубической форме — была преобразована в октаэдрическую структуру. Исследовательской группе удалось синтезировать эту новую морфологию, заменив воду специализированным растворителем, глицерином, в процессе роста кристаллов.

Их результаты были недавно опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Случайно обнаруженная около 1700-х годов, прусская синь обладает полой трехмерной структурой, которая позволяет ионам легко перемещаться внутрь и наружу. Эти уникальные свойства позволили использовать её в различных областях: от электродов натрий-ионных батарей до удаления радиоактивного цезия, катализа и экологической очистки.

Однако до сих пор её морфология была ограничена. При синтезе в воде реакция протекает слишком быстро, что затрудняет контроль роста частиц и приводит к образованию только кубических частиц. Это ограничение мешало ученым исследовать свойства, зависящие от формы, или открывать новые применения.

Исследователи из POSTECH нашли решение в растворителе. Используя вязкий глицерин вместо воды, они смогли замедлить рост кристаллов. В этой глицериновой среде сначала зарождаются мелкие кубические частицы, которые затем многократно растворяются и перекристаллизовываются, самоорганизуясь в октаэдрические структуры. По сути, эти крошечные кубики складываются и преобразуются в похожие на драгоценные камни восьмигранные структуры.

При испытании в качестве электродного материала в гибридных натрий-ионных конденсаторах октаэдрическая прусская синь продемонстрировала выдающиеся преимущества. Её более высокая площадь поверхности усилила электрохимическую реактивность, а долгосрочные испытания циклов зарядки-разрядки подтвердили стабильную производительность. Простое изменение формы кристалла привело к значительному улучшению характеристик.

В исследовательскую группу вошли профессор Чангшин Джо (факультет инженерии аккумуляторов и факультет химической инженерии, POSTECH), профессор Сангмин Ли (факультет химической инженерии, POSTECH) и кандидат наук Сунхве Джанг (факультет инженерии аккумуляторов, POSTECH), а также доктор Карстен Кортэ из Forschungszentrum Jülich (Германия), который внес вклад в структурный анализ.

Это исследование впервые демонстрирует, что специфические растворители могут контролировать как скорость роста, так и ориентацию кристаллов прусской сини. Помимо глицерина, команда ожидает, что другие органические растворители могут позволить создавать ранее неизвестные кристаллические морфологии.

Профессор Джо заявил: «Значимость этого исследования заключается не только в успешном создании новой морфологии прусской сини, но и в установлении фундаментальных принципов, которые позволяют нам наблюдать и контролировать процесс её роста. Благодаря возможности проектировать разнообразные морфологии, мы ожидаем значительного расширения областей применения — от передовых систем хранения энергии до технологий экологической очистки».