Novas pesquisas poderiam permitir uma síntese mais – e mais eficiente – de materiais metaestáveis
Um diagrama mostra uma maneira eficiente de sintetizar lítio (Li) a partir de sódio (Na) e vice-versa. Nos novos Materiais da Natureza artigo, o Liu Lab demonstrou pela primeira vez a síntese de óxido de cobalto de sódio em fase pura a partir do óxido de cobalto de lítio original e também de óxido de cobalto de lítio a partir de óxido de cobalto de sódio a 1-1000 Li-Na (proporção molar) com método de troca iônica assistida eletroquímica mitigando as barreiras cinéticas. Crédito:Escola de Engenharia Molecular Pritzker da UChicago A troca iônica é uma técnica poderosa para converter um material em outro ao sintetizar novos produtos. Neste processo, os cientistas sabem quais reagentes levam a quais produtos, mas como o processo funciona – o caminho exato de como um material pode ser convertido em outro – permanece indefinido.
Em um artigo publicado na Nature Materials , uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia Molecular da UChicago Pritzker lançou uma nova luz sobre esse mistério. Ao pesquisar materiais de cátodo de lítio para armazenamento de bateria, uma equipe do Liu Lab mostrou que existe um caminho geral para a troca de íons de lítio e sódio em materiais de cátodo de óxido em camadas.
"Exploramos sistematicamente o processo de troca iônica em lítio e sódio", disse o primeiro autor Yu Han, Ph.D. candidato na PME. "A via de troca iônica que revelamos é nova."
Ao ajudar a explicar como funciona o processo de troca iônica, este artigo abre as portas para pesquisadores que trabalham com materiais metaestáveis, ou seja, materiais que atualmente não estão em suas formas mais estáveis possíveis. Também pode levar a inovações na fabricação com eficiência atômica, usando menos precursores iniciais e gerando menos resíduos na síntese de materiais.
“Isso ampliará a família de materiais metaestáveis que as pessoas podem sintetizar”, disse a PME Asst. Prof. Chong Liu.
Novos métodos
Embora as aplicações potenciais ressoem em toda a síntese de materiais, o artigo começou analisando a produção de lítio para cátodos de baterias. À medida que as alterações climáticas afastam o mundo dos combustíveis fósseis, são necessárias mais e melhores baterias para armazenar energia renovável.
"O antigo método de síntese no estado sólido seria escolher um sal que contenha os elementos que você deseja sintetizar. Em seguida, combiná-los com a proporção certa de cada elemento", disse Liu. "Então você queima."
Na pesquisa de materiais de cátodo de lítio para armazenamento de baterias, uma equipe da Asst. O laboratório do professor Chong Liu, incluindo o primeiro autor e estudante de pós-graduação Yu Han, mostrou que existe um caminho geral para a troca de íons de lítio e sódio em materiais de cátodo de óxido em camadas. Crédito:Escola de Engenharia Molecular Pritzker da UChicago
No entanto, queimar os precursores de lítio a 800-900 graus Celsius é mais eficaz quando se trabalha com materiais estáveis. Nos casos em que a forma metaestável tinha propriedades interessantes que teoricamente poderiam formar ótimos cátodos de bateria, as altas temperaturas empurraram os materiais para um novo estado que era mais estável, mas muitas vezes sem as propriedades interessantes.
A troca iônica, entretanto, é um método de síntese que pode ser feito à temperatura ambiente ou a temperaturas relativamente baixas de 100 graus Celsius.
"A troca iônica à temperatura ambiente nos permite acessar esses óxidos em camadas metaestáveis, que não poderiam ser sintetizados diretamente através da síntese de estado sólido em temperatura elevada, mas podem ser equipados com propriedades químicas e físicas únicas", disse Han.
Na troca iônica, os sais não são queimados, mas dissolvidos, permitindo que íons com a mesma carga substituam os íons indesejados. Ele permite que os pesquisadores variem a composição química enquanto mantêm uma estrutura sólida – apenas os íons são trocados. Mas isso também teve suas desvantagens. O processo tem historicamente consumido muitos recursos e é baseado em tentativa e erro.
Os insights do artigo da equipe PME permitirão aos pesquisadores prever não apenas as composições e fases finais, mas também os estados intermediários para mapear os caminhos cinéticos.
Os pesquisadores do PME já colocaram em prática seus insights sobre as vias de troca iônica, criando o que Han chamou de "uma maneira muito eficiente" de sintetizar lítio (Li) a partir de sódio (Na) e vice-versa. O artigo demonstra a síntese de óxido de cobalto de sódio em fase pura a partir do óxido de cobalto de lítio original pela primeira vez e também de óxido de cobalto de lítio a partir de óxido de cobalto de sódio a 1-1000 Li-Na (proporção molar) com método de troca iônica eletroquímica assistida, mitigando o barreiras cinéticas.
A equipa espera que os futuros inovadores vão mais longe, criando processos mais eficientes e com menos desperdício para sintetizar os materiais de que a humanidade necessita para as alterações climáticas ou outras necessidades globais urgentes.
"Na indústria agora, as pessoas estão enfatizando a eficiência atômica, o que significa usar a menor quantidade de material para conseguir o que deseja", disse Liu.
