Amorphe Nanoblätter, die aus schwer zu synthetisierenden Metalloxiden und Oxyhydroxiden hergestellt werden

Forscher der Universität Nagoya in Japan haben sich einer bedeutenden Herausforderung in der Nanoblatttechnologie gestellt. Ihr innovativer Ansatz nutzt Tenside, um amorphe Nanoblätter aus verschiedenen Materialien herzustellen, darunter schwer zu synthetisierende ultradünne amorphe Metalloxide wie Aluminium und Rhodium. Dieser Durchbruch, veröffentlicht In Naturkommunikationschafft die Voraussetzungen für zukünftige Fortschritte bei der Anwendung dieser Nanoblätter, wie sie beispielsweise in Brennstoffzellen verwendet werden.

Die kommende Generation der Nanotechnologie erfordert Bauteile mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern. Diese ultradünnen Schichten, die für die Verbesserung der Funktionalität unerlässlich sind, werden als Nanoblätter bezeichnet.

Allerdings bereitet ihre geringe Größe Schwierigkeiten bei katalytischen Reaktionen. Viele dieser Platten behalten eine regelmäßige Form mit minimalen Fehlern. Aber die Katalyse ist bei ihren Reaktionen im Allgemeinen auf diese Defekte angewiesen.

Darüber hinaus ist ihre Herstellung aufgrund des Fehlens von Schichten eine Herausforderung, wodurch herkömmliche Peeling-Techniken, die auf Schichten basieren, unwirksam sind. Diese Einschränkung hat ihre Produktion auf typische Materialien wie Kohlenstoff und Siliziumdioxid beschränkt und nicht auf Metalloxide und Oxyhydroxide unter Verwendung von Materialien wie Rhodium, die für die Technologie nützlich sind.

Um diese Lücke zu schließen, entwickelte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Assistenzprofessor Eisuke Yamamoto und Professor Minoru Osada am Institut für Material- und Systemforschung (IMaSS) der Universität Nagoya eine anpassbare Synthesemethode.

Der Prozess beginnt mit einem festen Tensid, das dabei hilft, die Metallionen innerhalb seines Gerüsts anzuordnen, insbesondere in den Bereichen zwischen seinen Schichten, dem so genannten Zwischenschichtraum. Da amorphe Nanoblätter keine Schichten aufweisen, dienen die Tensidschichten als Ersatz.

Osada ist von der Schönheit des Prozesses begeistert. „Die tatsächlich synthetisierten Tensidkristalle sind unter einem optischen Mikroskop wunderschön“, sagt er. „Es ist möglich, eine Vielzahl von Metallionen in diesen Tensidkristallen einzuschließen und eine Vielzahl von Kristallen zu erzeugen.“

Anschließend wird Wasser hinzugefügt, das mit den in den Tensidschichten angeordneten Metallionen interagiert. Es löst eine als Hydrolyse bezeichnete Reaktion aus, die zum teilweisen Abbau dieser Ionen und zur Bildung kleiner, isolierter Cluster führt.

Die Cluster können mit Hilfe eines Lösungsmittels, insbesondere einer Chemikalie namens Formamid, zu einer organisierten Struktur angeordnet werden. Diese Organisation wird durch die anfänglichen Kristallformen des Tensids durch einen als Templatbildung bekannten Prozess gesteuert, bei dem die Metallcluster Schichten erzeugen, die die Form der Tensidkristalle nachbilden.

Diese Methode erzeugte unter Verwendung von Galliumionen amorphe Nanoblätter mit einer Dicke von etwa 1,5 nm. Aufbauend auf diesem Erfolg wandten Yamamoto und Osada die Technik an, um andere aus anspruchsvollen Metalloxiden und Oxyhydroxiden wie Aluminium und Rhodium zu synthetisieren.

„Amorphe Nanoblätter dieser Größenordnung sollten eine hervorragende katalytische Aktivität aufweisen, was auf zahlreiche Defekte zurückzuführen ist, die aus ihrer ungeordneten Struktur resultieren“, erklärt Professor Osada. „Diese Defekte sind ausgezeichnete aktive Zentren für katalytische Reaktionen. Diese amorphen Schichten bieten im Vergleich zu herkömmlichen Nanoschichten eine völlig andere Funktionalität.“

Diese innovative Methode synthetisiert nicht nur eine Vielzahl von Nanoblättern mit unterschiedlichen Metallarten, sondern ermöglicht auch die Kombination mehrerer Metallarten in einem Blatt und öffnet so die Tür zu neuen Materialien und Eigenschaften.

„Die neuen Materialklassen, die mit dieser Technik synthetisiert werden, dürften Fortschritte auf dem Gebiet der zweidimensionalen und amorphen Materialien vorantreiben und möglicherweise zu neuen physikalischen Eigenschaften und Anwendungen führen“, sagt Osada.

Da katalytische Reaktionen in Brennstoffzellen wichtig sind, freuen sich die Forscher über die Aussicht, dass ihre Forschung zur Erzeugung umweltfreundlicher Energie der nächsten Generation genutzt werden kann.