使用难以合成的金属氧化物和羟基氧化物制备的非晶态纳米片

日本名古屋大学的研究人员解决了纳米片技术的一个重大挑战。他们的创新方法采用表面活性剂从各种材料生产非晶纳米片，包括难以合成的超薄非晶金属氧化物，如铝和铑。这一突破发表在《自然通讯》上，为这些纳米片（如燃料电池中使用的纳米片）的未来应用进展奠定了基础

下一代纳米技术需要厚度只有几纳米的组件。这些对提高功能至关重要的超薄层被称为纳米片

然而，它们的小尺寸给催化反应带来了困难。其中许多板材保持规则的形状，缺陷最小。但催化反应通常依赖于这些缺陷

此外，由于没有分层，它们的生产具有挑战性，使得依赖分层的传统去角质技术无效。这种限制将它们的生产限制在典型的材料上，如碳和二氧化硅，而不是使用技术上有用的铑等材料的金属氧化物和羟基氧化物

为了弥合这一差距，名古屋大学材料与系统研究所（IMaSS）的助理教授山本英介和大田实教授领导的一个研究小组设计了一种适应性强的合成方法

该过程始于固态表面活性剂，它有助于在其框架内排列金属离子，特别是在其层之间的区域，即层间空间。由于非晶纳米片没有层，表面活性剂层可以作为替代品

Osada对这个过程的美丽充满热情。他说：“在光学显微镜下，实际合成的表面活性剂晶体非常漂亮。”。“可以将各种金属离子限制在这些表面活性剂晶体中，并产生各种晶体。”

然后加入水，水与表面活性剂层中排列的金属离子相互作用。它引发了一种称为水解的反应，导致这些离子部分分解并形成小而孤立的簇

这些簇可以在溶剂的帮助下排列成有组织的结构，特别是一种叫做甲酰胺的化学物质。这种组织是由表面活性剂的初始晶体形状通过一个称为模板的过程来指导的，在这个过程中，金属簇会产生复制表面活性剂晶体形状的薄片

这种方法使用镓离子创建了约1.5 nm厚的非晶纳米片。在这一成功的基础上，Yamamoto和Osada应用该技术从具有挑战性的金属氧化物和羟基氧化物（如铝和铑）合成了其他化合物

Osada教授解释说：“这种规模的非晶态纳米片应该具有优异的催化活性，这归因于其无序结构造成的许多缺陷。”。“这些缺陷是催化反应的极好活性位点。与传统的纳米片相比，这些无定形片提供了截然不同的功能。”

这种创新方法不仅合成了各种不同金属种类的纳米片，还允许在一片中组合多种金属类型，为新材料和新性能打开了大门

Osada说：“通过这种技术合成的新型材料有望推动二维和非晶材料领域的进步，有可能带来新的物理性能和应用。”

由于催化反应在燃料电池中很重要，研究人员对他们的研究用于产生下一代环保电力的前景感到兴奋 More information: Eisuke Yamamoto et al, Solid-state surfactant templating for controlled synthesis of amorphous 2D oxide/oxyhydroxide nanosheets, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51040-2

Journal information: Nature Communications