Lo scambio ionico è una tecnica potente per convertire un materiale in un altro durante la sintesi di nuovi prodotti. In questo processo, gli scienziati sanno quali reagenti portano a quali prodotti, ma come funziona il processo, ovvero il percorso esatto in cui un materiale può essere convertito in un altro, è rimasto sfuggente.
In un articolo pubblicato su Nature Materials , un team di ricercatori della UChicago Pritzker School of Molecular Engineering ha gettato nuova luce su questo mistero. Nella ricerca sui materiali catodici al litio per lo stoccaggio delle batterie, un team del Liu Lab ha dimostrato che esiste un percorso generale per lo scambio di ioni litio e sodio nei materiali catodici di ossido stratificato.
"Abbiamo esplorato sistematicamente il processo di scambio ionico nel litio e nel sodio", ha affermato il primo autore Yu Han, Ph.D. candidato al PME. "Il percorso di scambio ionico che abbiamo rivelato è nuovo."
Aiutando a spiegare come funziona il processo di scambio ionico, questo articolo apre le porte ai ricercatori che lavorano con materiali metastabili, ovvero materiali che non sono attualmente nella loro forma più stabile possibile. Può anche portare a nuove innovazioni nella produzione ad efficienza atomica, utilizzando meno precursori di partenza e generando meno rifiuti durante la sintesi dei materiali.
"Amplierà la famiglia di materiali metastabili che le persone possono sintetizzare", ha affermato PME Asst. Prof. Chong Liu.
Sebbene le potenziali applicazioni risuonino in tutta la sintesi dei materiali, il documento ha iniziato esaminando la produzione di litio per i catodi delle batterie. Poiché il cambiamento climatico allontana il mondo dai combustibili fossili, sono necessarie batterie più numerose e migliori per immagazzinare energia rinnovabile.
"Il vecchio metodo di sintesi allo stato solido prevedeva di scegliere del sale che contiene gli elementi che si desidera sintetizzare, quindi combinarli con il giusto rapporto di ciascun elemento", ha detto Liu. "Allora lo bruci."
Tuttavia, la combustione dei precursori del litio a 800–900 gradi Celsius è più efficace quando si lavora con materiali stabili. Nei casi in cui la forma metastabile aveva proprietà interessanti che teoricamente avrebbero potuto creare ottimi catodi per batterie, le alte temperature spingevano i materiali in un nuovo stato che era più stabile, ma spesso privo delle proprietà interessanti.
Lo scambio ionico, tuttavia, è un metodo di sintesi che può essere eseguito a temperatura ambiente o a temperature relativamente basse di 100 gradi Celsius.
"Lo scambio ionico a temperatura ambiente ci consente di accedere a quegli ossidi stratificati metastabili, che non possono essere sintetizzati direttamente attraverso la sintesi allo stato solido a temperatura elevata, ma potrebbero essere dotati di proprietà chimiche e fisiche uniche", ha affermato Han.
Nello scambio ionico i sali non vengono bruciati ma disciolti, lasciando che gli ioni con la stessa carica sostituiscano gli ioni indesiderati. Consente ai ricercatori di variare la composizione chimica mantenendo una struttura solida:vengono scambiati solo gli ioni. Ma anche questo aveva i suoi svantaggi. Il processo è stato storicamente dispendioso in termini di risorse e si basa su tentativi ed errori.
Le informazioni emerse dal documento del team PME consentiranno ai ricercatori di prevedere non solo le composizioni e le fasi finali, ma anche gli stati intermedi per mappare i percorsi cinetici.
I ricercatori del PME hanno già messo in pratica le loro intuizioni sui percorsi di scambio ionico, creando quello che Han ha definito “un modo molto efficiente” per sintetizzare il litio (Li) dal sodio (Na) e viceversa. L'articolo dimostra per la prima volta la sintesi dell'ossido di sodio cobalto in fase pura dall'ossido di litio cobalto genitore e anche dell'ossido di litio cobalto dall'ossido di sodio cobalto a 1-1000 Li-Na (rapporto molare) con il metodo di scambio ionico assistito elettrochimicamente mitigando il barriere cinetiche.
Il team spera che i futuri innovatori vadano oltre, creando processi più efficienti e meno dispendiosi per sintetizzare i materiali di cui l'umanità ha bisogno per il cambiamento climatico o altre urgenti esigenze globali.
"Nel settore manifatturiero attuale, le persone stanno enfatizzando l'efficienza atomica, il che significa utilizzare la minima quantità di materiale per ottenere ciò che si desidera", ha affermato Liu.
Ulteriori informazioni: Yu Han et al, Alla scoperta dei percorsi predittivi dello scambio di litio e sodio negli ossidi stratificati, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01862-8
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università di Chicago
