Obwohl Perowskite in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, bergen Anti-Perowskite als Funktionsmaterialien ebenso viel Potenzial. Anti-Perowskite haben eine ähnliche Kristallstruktur wie Perowskite, jedoch eine umgekehrte elektrische Konfiguration. Sie weisen besondere Eigenschaften auf, die ausgenutzt werden könnten, darunter negative Wärmeausdehnung, Ionenleitfähigkeit und sogar Supraleitung. Leider hat sich die Synthese nanogroßer Anti-Perowskite bisher als schwierig erwiesen, was die Verwendung dieser vielversprechenden Materialien in katalytischen Anwendungen behindert.
In einer aktuellen Studie veröffentlicht im Zeitschrift für Materialchemie Aein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yuji Iwamoto vom Department für Biowissenschaften und angewandte Chemie am Nagoya Institute of Technology, Japan, widmete sich den aktuellen Herausforderungen bei der Synthese von nitridbasierten Anti-Perowskiten. Sie demonstrierten eine praktische Synthesetechnik zur Herstellung eines Nanokompositmaterials aus amorpher Siliziumnitridkeramik (a-SiN) mit eingebetteten nanometergroßen Ni3InN-Anti-Perowskitkristallen.
Ihre Arbeit wurde gemeinsam vom jungen internationalen Dozenten (Gastdozent) Shotaro Tada und Professor Ravi Kumar von der Abteilung für Metallurgie und Werkstofftechnik am Indian Institute of Technology Madras (IIT Madras), Indien, sowie dem Forschungsleiter Samuel Bernard von der Universität Limoges, Frankreich, verfasst.
Die vorgeschlagene Synthesemethode kann als „Polymer-Derived Ceramics“-Methode (PDCs) klassifiziert werden. Zunächst wird Polysilazan – das als Siliziumnitrid-Vorläufer verwendet wird – chemisch modifiziert, um NiCl2- und InCl3-Moleküle aufzunehmen. Anschließend wird der modifizierte Vorläufer durch Pyrolyse in einer Ammoniakatmosphäre (NH3) bei einer relativ niedrigen Temperatur von 300 °C in einem einzigen Schritt in die a-SiN-Matrix mit eingebetteten Anti-Perowskiten umgewandelt.
„Während unser Forschungsteam entwickelte zuvor eine Syntheseroute für Übergangsmetall/a-SiN-Nanokomposite unter Verwendung von Polysilazanen, die mit Übergangsmetallchloriden modifiziert wurden, stellt diese aktuelle Studie einen neuartigen Ansatz unter Verwendung mehrerer Metallarten vor, der zum In-situ-Wachstum von intermetallischen Ni3InN-Nanopartikeln innerhalb einer amorphen Matrix führt“, sagt Prof. Iwamoto.
Dr. Tada erläutert: „In den Anfangsphasen der Forschung hatten wir Schwierigkeiten, durch stöchiometrisches Mischen eine einphasige Ni3InN-Verbindung zu erhalten. Durch systematische Analyse mit verschiedenen Arten von Polysilazanen und spektroskopische Studien stellten wir fest, dass das Vorhandensein von Vinylgruppen in Polysilazanen die Wechselwirkung mit InCl3 aufgrund sterischer Hinderung schwächte, was zu einer verstärkten Migration von In-Quellen in vorgefertigte Ni-Nanopartikel bei niedrigeren Temperaturen führte. Wir haben dieses Problem gelöst, indem wir überschüssiges InCl3 hinzugefügt haben, was zur Bildung einer einphasigen Ni3InN-Verbindung führte.“
Diese Bottom-up-Synthesestrategie hat mehrere Vorteile. Erstens ist das resultierende Nanokompositmaterial hochgradig mikroporös und enthält zahlreiche Schnittstellen zwischen Ni3InN und der a-SiN-Matrix. Dadurch ist es möglich, die elektronische Struktur der Oberflächen der in situ gebildeten Anti-Perowskit-Nanopartikel zu verändern. Darüber hinaus bietet es als einstufige Niedertemperaturmethode einen unkomplizierten Weg zur Herstellung komplexer, hochfunktioneller Materialien.
Als Machbarkeitsnachweis demonstrierten die Forscher außerdem die Fähigkeit des a-SiN/Ni3InN-Komposits, CO2 zu adsorbieren und zu desorbieren, was für die Aktivierung und Umwandlung kleiner Moleküle in wertschöpfende Verbindungen für Anwendungen im Bereich saubere Energie von entscheidender Bedeutung sein könnte.
„Diese Art von Nanokomposit mit seiner vielfältigen Zusammensetzung aus mehreren Metallen weist ein vielversprechendes Potenzial für die Entwicklung heterogener Katalysatoren auf. Durch seine strukturelle Vielfalt und Modifizierbarkeit könnte es die Entdeckung neuer katalytischer Funktionalitäten erleichtern“, bemerkt Dr. Bernard.
Die Forscher hoffen, dass diese spannenden Erkenntnisse den Weg zu vielseitigen Materialien mit nachhaltigen Anwendungen ebnen.
Mehr Informationen:
Shotaro Tada et al., Ein In-situ-Wachstumsverfahren für anti-Perowskit-Ni3InN-Nanopartikel, eingebettet in amorphes Siliziumnitrid, Zeitschrift für Materialchemie A (2023). DOI: 10.1039/D3TA06212K