One-step synthesis of NiS2/Ni3S4 under atmospheric pressure using deep eutectic solvent as dual reaction medium and morphology regulator

Nikkel sulfiden zijn een familie van materialen waar wetenschappers al lang bewondering voor hebben vanwege hun vermogen om elektriciteit te geleiden en chemische reacties aan te drijven. Ze zijn gemaakt van nikkel, een veelvoorkomend metaal, en zwavel, een geel element dat vaak wordt herkend aan zijn kenmerkende geur. Wanneer deze elementen worden gecombineerd, vormen ze verbindingen die in verschillende vormen en structuren kunnen bestaan, vergelijkbaar met hoe water ijs, vloeistof of stoom kan zijn. Deze variaties geven de materialen unieke eigenschappen, waardoor ze waardevol zijn voor technologieën die energie opslaan, zoals batterijen, of voor processen die water splitsen om schone brandstof te creëren. Het maken van deze materialen is echter traditioneel moeilijk geweest. De meeste methoden vereisen het verhitten van chemicaliën in verzegelde metalen containers onder hoge druk, een proces dat energie-intensief, duur en moeilijk op te schalen is voor grootschalige productie. Bovoltrecht was het controleren van de exacte grootte en vorm van de resulterende deeltjes vaak een uitdaging, omdat de omgevingen met hoge druk kunnen leiden tot onvoorspelbare resultaten.

Een team onderzoekers van de Panzhihua Universiteit en de Kunming University of Science and Technology heeft een eenvoudigere manier gevonden om deze materialen te maken. Ze ontwikkelden een methode die werkt bij normale atmosferische druk, wat betekent dat er geen zware, verzegelde drukvaten nodig zijn. In plaats van agressieve organische oplosmiddelen of extreme omstandigheden te gebruiken, gebruikten ze een speciale vloeibare mengeling die bekend staat als een diepe eutectische oplossing. Deze mengeling wordt gecreëerd door choline chloride, een zout dat in veel biologische systemen voorkomt, te combineren met ethyleenglycol, een veelvoorkomend antivriescomponent. Wanneer deze twee vloeistoffen in de juiste verhoudingen worden gemengd, vormen ze een stabiele, dikke vloeistof die zowel fungeert als de omgeving voor de reactie als een gids voor de vorm van het eindproduct. De onderzoekers mengden nikkelnitraat en natriumthiosulfaat in deze vloeistof en verhitten dit. Door de temperatuur, de tijd en de hoeveelheden van de beginchemicaliën zorgvuldig aan te passen, waren zij in staat om met hoge precisie een composietmateriaal te produceren bestaande uit twee specifieke nikkelsulfide-fasen, NiS2 en Ni3S4.

Het proces onthulde dat de dikke, viskeuze aard van de vloeibare mengeling een cruciale rol speelde bij het vormen van het uiteindelijke materiaal. Omdat de vloeistof zo dik is, beperkt het hoe snel de deeltjes kunnen groeien, waarbij het fungeert als een natuurlijke mal die de kristallen klein houdt. De resulterende deeltjes bleken tussen de 50 en 100 nanometer groot te zijn, wat aanzienlijk kleiner is dan wat gewoonlijk wordt bereikt met traditionele methoden met hoge druk. De onderzoekers ontdekten dat de temperatuur hoog genoeg moest zijn, specifiek 120 graden Celsius, en dat de reactie een volledige 24 uur moest lopen om ervoor te zorgen dat het materiaal puur en goed gevormd was. Als het proces te vroeg werd gestopt of de temperatuur te laag was, bleef het materiaal een mengsel van ongewenste intermediaire verbindingen. Door de concentratie van de beginchemicaliën fijn af te stemmen, konden zij de ratio van de twee verschillende nikkelsulfide-fasen in het eindproduct controleren, waardoor een materiaal ontstond dat zowel puur als consistent was.

Om precies te begrijpen hoe deze transformatie plaatsvond, monitorde het team de chemische omgeving binnen de vloeistof gedurende de reactie. Ze maten de zuurgraad, het elektrische potentiaal en de concentratie sulfaationen. Hun observaties toonden aan dat het natriumthiosulfaat, dat de zwavel leverde, een complexe verandering onderging waarbij het tegelijkertijd fungeerde als zowel een oxiderend als een reducerend middel. Deze dubbele werking stelde het in staat om af te breken en te recombineren met het nikkel om de gewenste sulfide-structuren te vormen. Cruciaal was dat de onderzoekers bevestigden dat de diepe eutectische oplossing zelf niet veranderde of deelnam aan de chemische reactie; het bleef stabiel en inert, en diende enkel als een veilig en effectief medium. Deze bevinding is significant omdat het bewijst dat dergelijke mengsels gebruikt kunnen worden als een betrouwbare, herbruikbare omgeving voor het creëren van complexe materialen zonder het risico dat het oplosmiddel zelf afbreekt of het product vervuilt.

Het uiteindelijke materiaal werd getest op zijn vermogen om elektriciteit te geleiden, een belangrijke eigenschap voor zijn potentiële gebruik in energieapparaten. Wanneer het poeder onder druk werd samengeperst, vertoonde het een uitstekende geleidbaarheid, met een resistiviteit zo laag als 0,010 ohm-centimeter bij een druk van 20 megapascal. Dit prestatieniveau is vergelijkbaar met de beste nikkelsulfide-composieten die in de wetenschappelijke literatuur zijn gerapporteerd, ondanks het feit dat ze onder veel mildere omstandigheden zijn gemaakt. De studie demonstreert dat het mogelijk is om hoogwaardige, gemengde-fase nikkelsulfide-materialen te creëren zonder de noodzaak van gevaarlijke apparatuur met hoge druk of giftige oplosmiddelen. Door een eenvoudige methode bij atmosferische druk te gebruiken met een groen oplosmiddel dat ook de deeltjesgrootte controleert, hebben de onderzoekers een nieuwe weg geopend voor het efficiënter en duurzamer maken van deze materialen. Deze aanpak suggereert dat de productie van geavanceerde energiematerialen in de toekomst toegankelijker, schaalbaarder en milieuvriendelijker kan worden.