За последние несколько десятилетий было проведено большое количество исследований в области двумерных (2D) материалов. Как следует из названия, эти тонкие пленкообразные материалы состоят из слоев толщиной всего в несколько атомов. Многие химические и физические свойства 2D-материалов могут быть точно настроены, что приводит к многообещающим применениям во многих областях, включая оптоэлектронику, катализ, возобновляемые источники энергии и многое другое.
Координационные нанолистки являются одним из особенно интересных типов 2D-материалов. "Координация" относится к действию ионов металлов в этих молекулах, которые действуют как координационные центры. Эти центры могут спонтанно создавать организованные молекулярные расположения, которые охватывают несколько слоев в двумерных материалах. Это привлекло внимание материаловедов благодаря их благоприятным свойствам. На самом деле, мы только начали царапать поверхность относительно того, что гетерослой координационные нанолистки - координационные нанолистки, слои которых имеют различный атомный состав, - могут предложить.
В недавнем исследовании, впервые опубликованном 13 июня 2022 года и размещенном на обложке Химия - Европейский журнал, группа ученых из Токийского университета науки (TUS) и Токийского университета в Японии сообщила о удивительно простом способе синтеза гетерослойных координационных нанолист. Состоящие из органического лиганда терпиридина, координирующего железа и кобальта, эти нанолистовые пленки особым образом собираются на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей. Исследование, проведенное под руководством проф. Хироси Нисихара из TUS, также включал вклады г-на Джо Комеды, д-ра Кэндзи Такады, д-ра Хироаки Маэды и д-ра Наоя Фукуи из TUS.
Чтобы синтезировать гетерослойные координационные нанолистки, команда сначала создала интерфейс жидкость-жидкость, позволяющий их собирать. Они растворили трис(терпиридиновый) лиганд в дихлорметане (CH2Cl2), органическая жидкость, которая не смешивается с водой. Затем они вылили раствор воды и тетрафторбората железа, железосодержащего химического вещества, поверх СН2Cl2. Через 24 часа на границе раздела между обеими жидкостями образовался первый слой координационного нанослоя, бис(терпиридинового) железа (или "Fe-tpy").
После этого они удалили железосодержащую воду и заменили ее кобальтосодержащей водой. В течение следующих нескольких дней слой бис(терпиридинового) кобальта (или "Co-tpy") образовался прямо под железосодержащим слоем на границе раздела жидкость-жидкость.
Команда провела подробные наблюдения за гетерослоем, используя различные передовые методы, такие как сканирующая электронная микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, атомно-силовая микроскопия и сканирующая просвечивающая электронная микроскопия. Они обнаружили, что слой Co-tpy образовался аккуратно под слоем Fe-tpy на границе раздела жидкость-жидкость. Более того, они могли контролировать толщину второго слоя в зависимости от того, как долго они оставляли процесс синтеза идти своим чередом.
Интересно, что команда также обнаружила, что порядок слоев можно поменять местами, просто изменив порядок этапов синтеза. Другими словами, если бы они сначала добавили кобальтсодержащий раствор, а затем заменили его железосодержащим раствором, синтезированный гетерослой имел бы координационные центры кобальта на верхнем слое и координационные центры железа на нижнем слое. "Наши результаты показывают, что ионы металлов могут проходить через первый слой из водной фазы в СН2Cl2 фаза для реакции с терпиридиновыми лигандами прямо на границе между нанолистом и СН2Cl2 фаза", - объясняет проф. Нисихара. "Это первое в истории разъяснение направления роста координационных нанослоев на границе раздела жидкость-жидкость".
Кроме того, команда исследовала восстановительно-окислительные свойства их координационных нанолист, а также их характеристики электрического выпрямления. Они обнаружили, что гетерослои ведут себя во многом как диоды, что согласуется с уровнями электронной энергии Co-tpy и Fe-tpy. Эти идеи в сочетании с простой процедурой синтеза, разработанной командой, могут помочь в разработке гетерослойных нанолистовых материалов, изготовленных из других материалов и адаптированных для конкретных применений в электронике. "Наш синтетический метод может быть применим к другим координационным полимерам, синтезированным на границах раздела жидкость-жидкость", - подчеркивает проф. Нисихара. "Таким образом, результаты этого исследования расширят структурное и функциональное разнообразие молекулярных 2D-материалов".
Устремив взор в будущее, команда продолжит исследовать химические явления, происходящие на границах раздела жидкость-жидкость, выясняя механизмы переноса массы и химических реакций. Их результаты могут помочь расширить дизайн 2D-материалов и, как мы надеемся, привести к повышению производительности оптоэлектронных устройств, таких как солнечные элементы.
Комментарии