新研究可以实现更多更高效的亚稳态材料合成

离子交换是合成新产品时将一种材料转化为另一种材料的强大技术。在这个过程中，科学家们知道什么反应物会产生什么产物，但这个过程是如何运作的——一种材料如何转化为另一种材料的确切途径——仍然难以捉摸。

在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员团队为这个谜团提供了新的线索。在研究用于电池存储的锂正极材料时，刘实验室的一个团队表明，层状氧化物正极材料中存在锂和钠离子交换的通用途径。

“我们系统地探索了锂和钠的离子交换过程，”第一作者、博士生于瀚说。PME候选人。“我们揭示的离子交换途径是新的。”

通过帮助解释离子交换过程的工作原理，本文为研究人员研究亚稳态材料(即目前尚未处于最稳定可能形式的材料)打开了大门。它还可以带来原子效率制造的新创新，使用更少的起始前体并在合成材料时产生更少的废物。

PME助理说：“它将扩大人们可以合成的亚稳态材料的范围。”刘冲教授。

新方法

尽管潜在的应用在整个材料合成中引起共鸣，但该论文首先研究了用于电池阴极的锂的生产。随着气候变化迫使世界远离化石燃料，需要更多更好的电池来存储可再生能源。

“固态合成的旧方法是你选择一些含有你想要合成的元素的盐。然后你将它们与每种元素的正确比例结合起来，”刘说。“那你把它烧了。”

在研究用于电池存储的锂阴极材料时，来自助理的一个团队。刘冲教授的实验室，包括第一作者和研究生韩宇，已经证明层状氧化物正极材料中存在锂和钠离子交换的一般途径。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院

然而，当使用稳定的材料时，在800-900摄氏度下燃烧锂前体会更有效。当亚稳态形式具有有趣的特性，理论上可以制造出色的电池阴极时，高温会将材料推入更稳定的新状态，但通常缺乏有趣的特性。

然而，离子交换是一种可以在室温或100摄氏度的较低温度下进行的合成方法。

韩说：“室温离子交换使我们能够获得那些亚稳态层状氧化物，这些氧化物无法通过高温下的固态合成直接合成，但可能具有独特的化学和物理性质。”

在离子交换中，盐不会燃烧，而是溶解，让具有相同电荷的离子取代不需要的离子。它允许研究人员改变化学成分，同时保持坚固的框架——只有离子被交换。但这也有其缺点。该过程历来是资源密集型的，并且基于反复试验。

PME团队论文的见解将使研究人员不仅能够预测最终的成分和相，还能预测中间状态以绘制动力学路径。

PME研究人员已经将他们对离子交换途径的见解转化为实践，创造了Han所说的“一种非常有效的方法”，可以从钠(Na)合成锂(Li)，然后再反合成锂(Li)。该论文首次展示了以钴酸锂为母体，采用电化学辅助离子交换法，以1-1000Li-Na(摩尔比)为原料，通过电化学辅助离子交换法，以钴酸钠为原料合成纯相钴酸锂。动力障碍。

该团队希望未来的创新者能够走得更远，创造更高效、更少浪费的工艺来合成人类应对气候变化或其他紧迫的全球需求所需的材料。

“在现在的制造业中，人们强调原子效率，这意味着使用最少量的材料来达到你想要的效果，”刘说。