Das Labor von James Tour an der Rice University hat eine neue Methode namens Flash-within-flash Joule-Heizung (FWF) entwickelt, die die Synthese hochwertiger Festkörpermaterialien revolutionieren könnte und einen saubereren, schnelleren und nachhaltigeren Herstellungsprozess ermöglicht. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Naturchemie am 8. August.
Die Synthese von Feststoffen ist traditionell ein zeit- und energieintensiver Prozess, bei dem häufig schädliche Nebenprodukte entstehen. FWF ermöglicht jedoch die sekundenschnelle Produktion verschiedener Verbindungen im Grammmaßstab und reduziert gleichzeitig den Energie- und Wasserverbrauch sowie die Treibhausgasemissionen um mehr als 50 %. Damit setzt es einen neuen Standard für nachhaltige Produktion.
Die innovative Forschung baut auf Tour‘ Entwicklung von Abfallentsorgungs- und Upcycling-Anwendungen im Jahr 2020 auf, bei der Flash-Joule-Erhitzung zum Einsatz kommt. Dabei handelt es sich um eine Technik, bei der ein Strom durch ein Material mit mäßigem Widerstand geleitet wird, um es schnell auf über 3.000 Grad Celsius (über 5.000 Grad Fahrenheit) zu erhitzen und in andere Substanzen umzuwandeln.
„Der Schlüssel ist, dass wir früher Kohlenstoff und einige andere Verbindungen, die leitfähig sein könnten, blitzschnell synthetisiert haben“, sagte Tour, der TT- und WF-Chao-Professor für Chemie und Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik. „Jetzt können wir den Rest des Periodensystems blitzschnell synthetisieren. Das ist ein großer Fortschritt.“
Der Erfolg von FWF beruht auf seiner Fähigkeit, die Leitfähigkeitsbeschränkungen herkömmlicher Flash-Joule-Heizmethoden zu überwinden. Das Team – darunter der Doktorand Chi Hun „Will“ Choi und der korrespondierende Autor Yimo Han, Assistenzprofessor für Chemie, Materialwissenschaften und Nanotechnik – integrierte ein äußeres Flash-Heizgefäß, das mit metallurgischem Koks gefüllt ist, und einen halbgeschlossenen inneren Reaktor, der die Zielreagenzien enthält. FWF erzeugt intensive Hitze von etwa 2.000 Grad Celsius, die die Reagenzien durch Wärmeleitung schnell in hochwertige Materialien umwandelt.
Dieser neuartige Ansatz ermöglicht der Studie zufolge die Synthese von mehr als 20 einzigartigen, phasenselektiven Materialien mit hoher Reinheit und Konsistenz. Die Vielseitigkeit und Skalierbarkeit von FWF ist ideal für die Herstellung von Halbleitermaterialien der nächsten Generation wie Molybdändiselenid (MoSe2), Wolframdiselenid und Alpha-Phase-Indiumselenid, deren Synthese mit herkömmlichen Techniken bekanntermaßen schwierig ist.
„Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden erfordert FWF keine Zugabe von leitfähigen Mitteln, wodurch die Bildung von Verunreinigungen und Nebenprodukten reduziert wird“, sagte Choi.
Dieser Fortschritt eröffnet neue Möglichkeiten in den Bereichen Elektronik, Katalyse, Energie und Grundlagenforschung. Er bietet zudem eine nachhaltige Lösung für die Herstellung einer breiten Palette von Materialien. Darüber hinaus hat FWF das Potenzial, Branchen wie die Luft- und Raumfahrt zu revolutionieren, wo Materialien wie das von FWF hergestellte MoSe2 eine überlegene Leistung als Feststoffschmiermittel zeigen.
„FWF steht für einen grundlegenden Wandel in der Materialsynthese“, sagte Han. „Indem es eine skalierbare und nachhaltige Methode zur Herstellung hochwertiger Festkörpermaterialien bietet, überwindet es Hindernisse in der Herstellung und ebnet gleichzeitig den Weg für eine sauberere und effizientere Zukunft.“
Weitere Informationen:
Chi Hun ‚William‘ Choi et al, Flash-in-Flash-Synthese von Festkörpermaterialien im Grammmaßstab, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01598-7