加速通过离子交换方法发现新材料

日本东北大学的研究人员揭示了一种预测通过离子交换合成新材料的新方法。基于计算机模拟，这种方法显著减少了探索无机材料所需的时间和能量。

他们的研究细节于2024年4月17日发表在《化学材料》期刊上。

科学家们通常依赖高温反应方法来合成无机材料，以形成有利于环保和高效能源技术的新材料。但这种方法存在一些缺点。只有具有最稳定晶体结构的材料才能被形成，而且不可能合成在高温下会分解的材料。

相反，离子交换方法可以在相对较低的温度下形成新材料。现有材料中的离子与其他材料中相同电荷的离子进行交换，从而形成新的无机物质。低合成温度使得可以获得通常无法通过高温反应方法获得的化合物。

然而，尽管离子交换方法潜力巨大，但由于缺乏系统性方法来预测适合离子交换的材料组合，限制了其广泛应用，这需要进行费时费力的试错实验。

“在我们的研究中，我们使用计算机模拟预测了适合离子交换的材料的可行性”，东北大学先进材料跨学科研究所的高级助理教授、该论文的合著者Issei Suzuki说道。

模拟涉及调查三元楔状型氧化物和卤化物/硝酸盐之间的离子交换反应的潜力。具体来说，铃木和他的同事对42种β-MIGaO2（MI = Na, Li, Cu, Ag）作为前体，卤化物和硝酸盐作为离子源的组合进行了模拟。

模拟结果分为三类：“发生离子交换”，“没有发生离子交换”，和“部分离子交换发生（形成固溶体）”。为了确认他们的结果，研究人员通过实际实验验证了模拟结果，在所有42种组合中均验证了模拟与实验结果的一致性。

铃木认为他们的进展将加速开发适用于改进能源技术的新材料。“我们的研究结果表明，可以预测离子交换是否可行，并提前设计反应，而无需进行试验性的试错。未来，我们计划利用这种方法寻找具有新颖吸引人性质的材料，以解决能源问题。”