Координационные нанолисты — это уникальный класс двумерных (2D) материалов, которые образуются за счёт координационных связей между плоскими органическими лигандами и ионами металлов. Эти двумерные наноматериалы всё чаще используются в аккумулировании энергии, электронных устройствах и в качестве катализаторов на электродах благодаря их превосходным электронным, оптическим, окислительно-восстановительным свойствам и каталитической активности.
За последнее десятилетие в лабораториях успешно синтезировали координационные нанолисты, состоящие из различных переходных ионов металлов, таких как ионы никеля (Ni), связанные с бензогексатиолом (BHT) — органическим соединением. Однако их производство основывалось на двухфазной межфазной реакции, которая происходит между двумя несмешивающимися фазами вещества.
Кроме того, селективный синтез хорошо организованных гетерометаллических нанолистов, содержащих два или более ионов металлов, оказался сложным. Чтобы решить эти две основные проблемы, ограничивающие производство новых координационных нанолистов, группа исследователей под руководством профессора Хироси Нисихары из Научно-исследовательского института науки и технологий (RIST) Токийского университета науки (TUS) в Японии провела серию инновационных экспериментов.
Исследовательская группа состояла из студентки магистратуры Мию Ито из TUS, научных сотрудников доктора Наоя Фукуи и доктора Кендзи Такада, а также доктора Хироаки Маэды, преподавателя TUS. Их результаты были опубликованы онлайн в журнале Small 5 мая 2025 года и выбраны для размещения на обложке выпуска.
«Когда ионы Ni используются в двухфазной межфазной реакции, получаются пористые никельладитиолениновые (NiDT) и непористые структуры NiBHT. Однако рациональный метод селективного синтеза их до сих пор полностью не разработан», — объясняет профессор Нисихара, объясняя мотивацию настоящего исследования.
Исследователи использовали однофазную реакцию ионов Ni²⁺ и BHT для формирования коллоидных растворов координационных нанолистов. Примечательно, что, контролируя молярное соотношение ионов Ni²⁺ и BHT, исследователи могли селективно синтезировать координационные нанолисты, представляющие интерес, в однофазной реакции. Полученные коллоидные координационные нанолисты можно дополнительно использовать в качестве чернил для покрытия подложек или электродов или в качестве растворов для последующих химических реакций.
Для подтверждения полезности координационных нанолистов в коллоидных растворах исследователи покрыли стеклоуглерод (GC) NiDT и NiBHT. В ходе последующего электрохимического анализа NiDT показал широкую окислительно-восстановительную волну, что указывает на пористую структуру, в то время как непористый NiBHT не показал окислительно-восстановительной волны при соответствующем потенциале. Дальнейшее тестирование электрода с покрытием из NiDT показало высокий потенциал для реакции выделения водорода в качестве катализатора.
Опираясь на результаты своих исследований, команда успешно синтезировала коллоидные растворы нанолистов, содержащие медь (Cu), связанную с BHT, и цинк (Zn), связанный с BHT. Кроме того, добавив ионы Cu²⁺ в коллоидный раствор NiDT, содержащий непрореагировавший BHT, они смогли получить нанолисты NiCu₂BHT, где ионы Cu²⁺ могли быть введены в поры NiDT. Используя аналогичную стратегию, были получены координационные нанолисты NiZn₂BHT путём введения ионов Zn²⁺ в коллоидный раствор NiDT.
Помимо использования коллоидных растворов, исследователи обратили внимание на реакцию трансметаллирования — тип металлоорганической реакции, в которой ионы металла в координационном центре заменяются другими ионами для получения гетерометаллических координационных нанолистов. Примечательно, что первый шаг реакции трансметаллирования NiBHT с ионами металла Cu²⁺ привёл к получению нанолистов NiCu₂BHT.
«NiCu₂BHT обладает высокой кристалличностью и электропроводностью и может быть использован в различных электронных приложениях. Это показывает превосходство структуры и физических свойств гетерометаллических координационных нанолистов с определённой структурой», — утверждает профессор Нисихара.
В совокупности это исследование раскрывает два новых пути синтеза для получения высокопроводящих координационных нанолистов в чернильной форме, которые могут быть дополнительно применены в качестве покрытий для различных подложек и использованы в качестве химических реагентов.
Профессор Нисихара подчёркивает будущие применения настоящего исследования: «Первая чернильная форма, изготовленная из координационных нанолистов, позволила массово производить их с использованием технологии печати и применять их непосредственно в устройствах, что является важным шагом вперёд в их практическом использовании в качестве гибких электронных устройств следующего поколения, катализаторов для производства водорода и сенсорных материалов».
Благодаря исследователям TUS, можно реализовать потенциал и перспективы недорогих высокоэффективных наноматериалов, что приведёт к созданию устойчивого и энергоэффективного общества.
Предоставлено: [Tokyo University of Science](https://phys.org/partners/tokyo-university-of-science/)