One-step synthesis of NiS2/Ni3S4 under atmospheric pressure using deep eutectic solvent as dual reaction medium and morphology regulator
Questo articolo riporta una sintesi a pressione atmosferica di un composito NiS2/Ni3S4 utilizzando un solvente eutettico profondo sia come mezzo di reazione che come regolatore di morfologia, il quale facilita un percorso di disproporzione per produrre particelle nanometriche con alta conducibilità elettrica adatte per applicazioni di elettrocatalisi e di accumulo di energia.
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I solfuri di nichel sono una famiglia di materiali che gli scienziati ammirano da tempo per la loro capacità di condurre elettricità e guidare reazioni chimiche. Sono composti da nichel, un metallo comune, e zolfo, un elemento giallo spesso riconosciuto dal suo odore distintivo. Quando combinati, questi elementi formano composti che possono esistere in diverse forme e strutture, proprio come l'acqua può essere ghiaccio, liquido o vapore. Queste variazioni conferiscono ai materiali proprietà uniche, rendendoli preziosi per tecnologie che immagazzinano energia, come le batterie, o per processi che scindono l'acqua per creare combustibile pulito. Tuttavia, la creazione di questi materiali è stata tradizionalmente difficile. La maggior parte dei metodi richiede il riscaldamento di sostanze chimiche all'interno di contenitori metallici sigillati sotto alta pressione, un processo che richiede molta energia, è costoso e difficile da scalare per la produzione su larga scala. Inoltre, controllare le dimensioni esatte e la forma delle particelle risultanti è stato spesso una sfida, poiché gli ambienti ad alta pressione possono portare a risultati imprevedibili.
Un team di ricercatori dell'Università di Panzhihua e dell'Università di Scienza e Tecnologia di Kunming ha trovato un modo più semplice per fabbricare questi materiali. Hanno sviluppato un metodo che funziona alla normale pressione atmosferica, il che significa che non richiede pesanti recipienti a pressione sigillati. Invece di utilizzare solventi organici aggressivi o condizioni estreme, hanno utilizzato una miscela liquida speciale nota come solvente eutettico profondo. Questa miscela è creata combinando il cloruro di colina, un sale presente in molti sistemi biologici, con il glicole etilenico, un comune componente antigelo. Quando mescolati nelle giuste proporzioni, questi due liquidi formano un fluido stabile e denso che funge sia da ambiente per la reazione che da guida per la forma del prodotto finale. I ricercatori hanno mescolato nitrato di nichel e tiosolfato di sodio in questo liquido e lo hanno riscaldato. Regolando attentamente la temperatura, il tempo e le quantità delle sostanze chimiche di partenza, sono stati in grado di produrre un materiale composito costituito da due fasi specifiche di solfuro di nichel, NiS2 e Ni3S4, con alta precisionzione.
Il processo ha rivelato che la natura densa e viscosa della miscela liquida ha giocato un ruolo cruciale nel dare forma al materiale finale. Poiché il liquido è così denso, limita la velocità con cui le particelle possono crescere, agendo come uno stampo naturale che mantiene i cristalli piccoli. Le particelle risultanti sono state trovate essere tra i 50 e i 100 nanometri di dimensione, il che è significativamente più piccolo di quanto si ottenga tipicamente con i metodi tradizionali ad alta pressione. I ricercatori hanno scoperto che la temperatura doveva essere sufficientemente alta, specificamente 120 gradi Celsius, e che la reazione doveva durare per 24 ore complete per garantire che il materiale fosse puro e ben formato. Se il processo veniva interrotto troppo presto o la temperatura era troppo bassa, il materiale rimaneva una miscela di composti intermedi indesiderati. Perfezionando la concentrazione delle sostanze chimiche di partenza, potevano controllare il rapporto tra le due diverse fasi di solfuro di nichel nel prodotto finale, creando un materiale che fosse sia puro che consistente.
Per capire esattamente come sia avvenuta questa trasformazione, il team ha monitorato l'ambiente chimico all'interno del liquido durante tutta la reazione. Hanno misurato l'acidità, il potenziale elettrico e la concentrazione di ioni solfato. Le loro osservazioni hanno mostrato che il tiosolfato di sodio, che forniva lo zolfo, ha subito un cambiamento complesso in cui ha agito simultaneamente sia come agente ossidante che come agente riducente. Questa doppia azione ha permesso di scomporlo e ricombinarlo con il nichel per formare le strutture di solfuro desiderate. Fondamentalmente, i ricercatori hanno confermato che il solvente eutettico profondo stesso non è cambiato né ha partecipato alla reazione chimica; è rimasto stabile e inerte, fungendo solo da mezzo sicuro ed efficace. Questa scoperta è significativa perché dimostra che tali miscele possono essere utilizzate come un ambiente affidabile e riutilizzabile per creare materiali complessi senza il rischio che il solvente stesso si decomponga o contamini il prodotto.
Il materiale finale è stato testato per la sua capacità di condurre elettricità, una proprietà chiave per il suo potenziale uso in dispositivi energetici. Quando la polvere è stata compressa sotto pressione, ha mostrato un'eccellente conduttività, con una resistività bassa quanto 0,010 ohm-centimetri a una pressione di 20 megapascal. Questo livello di prestazione è paragonabile ai migliori compositi di solfuro di nichel riportati nella letteratura scientifica, nonostante siano stati realizzati in condizioni molto più blande. Lo studio dimostra che è possibile creare materiali di solfuro di nicello a fase mista ad alte prestazioni senza la necessità di pericolose attrezzature ad alta pressione o solventi tossici. Utilizzando un semplice metodo a pressione atmosferica con un solvente ecologico che controlla anche la dimensione delle particelle, i ricercatori hanno aperto una nuova strada per produrre questi materiali in modo più efficiente e sostenibile. Questo approccio suggerisce che la produzione di materiali avanzati per l'energia potrebbe diventare più accessibile, scalabile e rispettosa dell'ambiente in futuro.
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