Tóm tắt

Phó giáo sư Kobayashi Hiroaki của Trường kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học sau đại học, Đại học Hokkaido, và Iimura Reona, một khóa học tiến sĩ tại Viện kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học Vật liệu đa phương thức, Đại học Tohoku, đã phát triển vật liệu hạt nano

Dioxide mangan đã được sử dụng thực tế trong nhiều năm, chẳng hạn như pin và chất xúc tác khô, và trong những năm gần đây, nghiên cứu và phát triển đã được tiến hành để tiếp tục các ứng dụng trong pin lưu trữ thế hệ tiếp theo và để thúc đẩy kích hoạt cao chất xúc tác Trong số các loại dioxide mangan khác nhau, Dioxide mangan loại alpha, có cấu trúc đường hầm, đã được báo cáo là hứa hẹn như một điện cực dương cho pin ion đa ưu tiên thế hệ tiếp theo như magiê, canxi và kẽm Dioxide mangan kiểu alpha tạo thành các tinh thể hình que với cấu trúc đường hầm dài, nhưng do các ion đa tích điện di chuyển chậm trong chất rắn, chiều dài đường hầm ngắn hơn, nghĩa là tỷ lệ khung hình của các hạt càng nhỏ thì các tính chất điện cực dương càng cao

Lần này, chúng ta có một "phương pháp thủy nhiệt^*1"Nói" Phương pháp giảm rượu^*2"và tổng hợp thành công các hạt nano Dioxide loại alpha loại alpha với kích thước hạt dưới 10nm trong một thời gian ngắn 1/10, cho thấy các đặc điểm cao như một điện cực dương cho pin đa dạng thế hệ tiếp theo

Phương pháp này không chỉ có thể được phát triển để tổng hợp các hạt nano Dioxide mangan khác nhau và các vật liệu tỷ lệ khung hình thấp khác với loại alpha, nhưng cũng cho phép các tác phẩm đa dạng được sử dụng sự nóng lên Kết quả của nghiên cứu này sẽ được phát hành vào thứ Năm ngày 16 tháng 1 năm 2025Được xuất bản trên tạp chí nhỏđã được thực hiện

Bối cảnh

Mangan Dioxide (MNO₂) là một vật liệu chức năng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như pin khô, chất xúc tác, cảm biến và chất hấp thụ, và cũng được sử dụng trong các thí nghiệm ở trường trung học cơ sở như một chất xúc tác tạo ra oxy từ nước hydro peroxide MNO₂Hiển thị các cấu trúc tinh thể khác nhau, một trong số đó là MNO loại alpha₂(α-MNO₂) Từ lâu đã được biết đến như một loại hình que thành tinh thể hình kim với cấu trúc đường hầm

Trong những năm gần đây, do nhu cầu ngày càng tăng về pin lithium-ion, pin lưu trữ thế hệ tiếp theo đã phát triển mạnh trên toàn thế giới, và nghiên cứu đang được thực hiện trên pin lưu trữ (pin ion đa năng) sử dụng các cation điện hóa như magiê, có thể thay thế cho các loại điện tài α-MNO₂đang thu hút sự chú ý như một vật liệu điện cực tích cực đầy hứa hẹn vì nó cho phép các cation hóa trị hai được chèn và loại bỏ điện hóa bên trong đường hầm

Một thách thức với pin ion đa sạc là khuếch tán ion bên trong điện cực dương chậm hơn lithium và nó không thể thể hiện các đặc tính điện cực dương đủ α-MNO₂là bên trong đường hầm, và dự kiến ​​độ dài đường hầm ngắn hơn sẽ cải thiện các đặc tính điện cực dương Một cách có thể để rút ngắn chiều dài của đường hầm là giảm kích thước của toàn bộ hạt hoặc biến nó thành hạt nano α-MNO₂hạt nano đã được tổng hợp bằng các phương pháp thủy nhiệt cho đến nay, nhưng chiều rộng của toàn bộ gói trong đó đường hầm được bó là 20nm (đường kính bên trong của đường hầm là 0,46 nm) Nghĩa là, α-MNO₂Phát triển các phương pháp tổng hợp hạt nano là bắt buộc

Ngoài ra, trong lĩnh vực chất xúc tác, α-MNO₂đang thu hút sự chú ý như là một chất xúc tác hài hòa môi trường cho phản ứng oxy hóa của các hợp chất hữu cơ khác nhau sử dụng không khí làm nguồn oxy Một phương pháp kích hoạt cao phản ứng xúc tác này là tăng số lượng bề mặt cạnh với hoạt động xúc tác cao, nghĩa là biến chất xúc tác thành các hạt nano xốp và cần phải thiết lập một phương pháp tổng hợp

Phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu

Age α-MNO₂Trong phương pháp thủy nhiệt được gọi là phương pháp tổng hợp hạt nano, MNO với cấu trúc nhiều lớp chứa các ion natri là tiền thân₂được chế tạo và xử lý thủy nhiệt để cho phép cấu trúc đường hầm (α-MNO₂) Tại thời điểm này, α-MNO₂Sự hình thành cấu trúc đường hầm được quảng bá Trong điều trị thủy nhiệt, sự phát triển tinh thể tiến triển thông qua phản ứng hòa tan tinh thể và tái cấu trúc trong quá trình phản ứng, dẫn đến các tinh thể nano tương đối lớn

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một "phương pháp giảm rượu" sử dụng rượu làm dung dịch phản ứng và đã báo cáo rằng các hạt nano siêu nhỏ như oxit spinel mangan có thể được tổng hợp Trong phương pháp giảm rượu này, permanganate phản ứng cao được sử dụng làm nguồn mangan, và các ion magiê và các ion kẽm hình thành cấu trúc spinel được hòa tan trong rượu, khiến phản ứng tiến hành ở nhiệt độ thấp và ở tốc độ cao Kỹ thuật này sử dụng các rượu có độ hòa tan thấp hơn nước, ngăn chặn phản ứng giữa sự hòa tan tinh thể và tái cấu trúc, dẫn đến sự hình thành các hạt nano siêu nhỏ

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào sự giống nhau của quá trình giữa các phương pháp giảm thủy nhiệt và rượu thông thường, và phát triển một phương pháp tổng hợp mới gọi là "phương pháp giải pháp rượu" kết hợp hai phương pháp Rượu có độ hòa tan thấp được sử dụng trong dung dịch phản ứng, muối permanganate tan trong rượu với khả năng phản ứng cao được sử dụng làm nguồn mangan và α-MNO₂A-MNO ở nhiệt độ (khoảng 80 độ) trong đó rượu được đun sôi bằng cách xử lý nhiệt của dung dịch hòa tan các ion amoni thúc đẩy sự hình thành các cấu trúc đường hầm₂Chúng tôi đã thấy rằng hình thức hạt nano siêu nhỏ Các phương pháp thủy nhiệt thường yêu cầu 12-24 giờ thời gian phản ứng và cần có một thùng chứa kháng áp lực để đạt được áp suất cao, nhưng phương pháp dung dịch rượu hoàn thành phản ứng trong một giờ và có thể được tổng hợp ở áp suất khí quyển, cho phép tổng hợp nó trong một tàu phản ứng điển hình

α-MNO thu được trong nghiên cứu này₂Các hạt nano siêu nhỏ có chiều rộng khoảng 4nm cho toàn bộ bó và chiều dài khoảng 8nm, chỉ ra rằng tỷ lệ khung hình của hình dạng hạt giảm xuống còn 1/10 so với các hạt thu được bằng phương pháp thủy nhiệt (Hình 1) Hình dạng hạt cũng có chiều dài ngắn hơn, chỉ ra rằng thanh gần hơn với hình dạng hình cầu Hơn nữa, chúng tôi thấy rằng khi kích thước hạt giảm xuống mức nano nhỏ nhất, các hạt không trở thành đẳng hướng, mà là rút ngắn một cách chọn lọc hướng theo chiều dọc và hình thái tiếp cận các hạt hình cầu Hơn nữa, diện tích bề mặt cụ thể của bột hạt thu được tăng 2-3 lần, và người ta thấy rằng nó là xốp

Khi chúng tôi đánh giá các tính chất của điện cực dương pin ion đa tích điện và chất xúc tác phản ứng oxy hóa cho các ứng dụng của vật liệu này, cả hai đều cho thấy đặc điểm cao hơn vật liệu thông thường Điện cực dương của pin ion đa sạc cho phép chèn giải hấp điện hóa tốc độ cao của các ion magiê, ion canxi và ion kẽm ở nhiệt độ phòng và được tìm thấy là đặc biệt tuyệt vời như một điện cực dương của pin ion canxi (Hình 2) Bởi vì các hạt của các hạt nano cực nhỏ quá nhỏ, các hạt kết tụ lẫn nhau và đủ tính chất điện cực dương không thu được như chúng, nhưng bằng cách tạo ra một hỗn hợp phân tán trong graphene, tập hợp hạt nhỏ đã bị triệt tiêu, và điện tích và phóng điện đã bị mất quá mức nhỏ Trong phản ứng oxy hóa xúc tác sử dụng oxy, nó hoạt động cao như một chất xúc tác phản ứng oxy hóa cho các hợp chất hữu cơ như 1-phenylethanol (Hình 2) Thông thường α-MNO₂Và hoạt động xúc tác không thể được giải thích bằng sự khác biệt về diện tích bề mặt cụ thể (bản chất xốp) và được cho là do các hạt nano cực nhỏ lộ ra nhiều bề mặt cạnh với hoạt động xúc tác cao

Hy vọng cho tương lai

MNO₂Có thể được áp dụng cho một loạt các ứng dụng như pin, chất xúc tác và chất hấp phụ, do đó, sự phát triển hơn nữa của vật liệu này dự kiến ​​sẽ dẫn đến sự đổi mới trong công nghệ công nghiệp hiện tại Phương pháp tổng hợp được phát triển lần này là α-MNO₂khác nhau ngoài MNO₂Để tạo ra các hạt nano cực nhỏ và tỷ lệ khung hình thấp Công nghệ này dự kiến ​​sẽ được áp dụng cho công nghệ sử dụng sự khác biệt về đặc điểm do sự khác biệt về cấu trúc, và dự kiến ​​sẽ đóng góp cho một xã hội carbon thấp và chống lại sự nóng lên toàn cầu

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được thực hiện với sự hỗ trợ từ JSK được tài trợ bởi các nhà nghiên cứu trẻ (JP23K13816, JST ALCA-SPRING (JPMJAL1301) Foundation (390874152: Polis Cụm xuất sắc)

Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu này được lấy thông qua nghiên cứu chung của Kobayashi Hiroaki, Phó giáo sư tại Trường kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học sau đại học, Đại học Hokkaido, Giáo sư Matsui Masaki, Giáo sư Honma Tsukasa của Viện kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học Vật liệu Đại học kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học Vật liệu, Viện nghiên cứu kim loại và vật liệu, Giáo sư Ichitsubo Tetsuo của Viện nghiên cứu vật liệu và kim loại, Giáo sư Yamaguchi Kazuya của Trường Kỹ thuật tốt nghiệp Kitamura Naoto của kèo nhà cái tỷ lệ cá cược kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học, Đại học kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học Tokyo, Giáo sư Idemoto Yasushi, và Giáo sư Maximilian Fichner của Viện nghiên cứu Helmholtz

Thông tin giấy

Tên giấy

Ultrasmall α-MNO₂116984_117159

Tên tác giả

iimura reona^1、7、8, Kawasaki Shiori¹, Yabu Taka², Tachibana Shinnosuke¹, Yamaguchi Kazuya³, Bandai Toshihiko⁴, Kisu Kazuaki^1、5, Kitamura Naoto⁶, Zhirong Zhao-Karger^7、8, Orimo Shinichi¹, Idemoto Yasushi⁶, Matsui Masaki², Maximilian Fichtner^7、8, xếp hạng Honma¹, Ichitsubo Tetsu¹, Kobayashi Hiroaki*^、1、2（¹Đại học Tohoku,²Đại học Hokkaido,³Đại học Tokyo,⁴Nghiên cứu Vật liệu và Vật liệu Quốc gia,⁵Viện Công nghệ Shibaura,⁶Đại học kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học Tokyo,⁷Viện Công nghệ Karlsruhe,⁸Viện Helmholtz ULM, *tác giả có trách nhiệm)

Tên tạp chí

nhỏ (tạp chí công nghệ nano chuyên dụng được xuất bản bởi Wiley-VCH)

doi

101002/smll202411493

Ngày xuất bản

Thứ Năm, ngày 16 tháng 1 năm 2025 (xuất bản trực tuyến)

Sơ đồ tham khảo

Thuật ngữ

*1 Phương pháp thủy nhiệt
Một phương pháp kết hợp các thành phần bằng cách đặt dung dịch nước trong thùng chứa chống áp suất và làm nóng nó đến 100 độ, giống như nấu trong nồi áp suất Nguyên liệu thô không hòa tan trong nước ở nhiệt độ phòng và ở áp suất bình thường cũng có thể được sử dụng, và các vật liệu cần sưởi ấm ở nhiệt độ vài trăm độ ở áp suất bình thường có thể được tổng hợp ở nhiệt độ dưới 200 độ

*2 Phương pháp giảm rượu
Một phương pháp giảm các ion kim loại với các rượu như ethanol để tổng hợp các hạt nano của kim loại và oxit Rượu có độ hòa tan oxit thấp hơn so với nước, cho phép thu được các hạt nano nhỏ hơn Để biết thông cáo báo chí về điều này, xem bên dưới
2024 Thông cáo báo chí của Đại học Hokkaido
2023 Thông cáo báo chí của Đại học Tohoku