通过离子交换法加速新材料的发现

东北大学的研究人员推出了一种预测如何通过离子交换合成新材料的新方法。该方法基于计算机模拟，显着减少了探索无机材料所需的时间和精力。

在寻求形成促进环保和高效能源技术的新材料时，科学家经常依靠高温反应方法来合成无机材料。当原材料混合并加热到非常高的温度时，它们会分裂成原子，然后重新组合成新的物质。但这种方法有一些缺点。只能形成能量最稳定的晶体结构的材料，不可能合成在高温下分解的材料。

相反，离子交换法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具有相似电荷的离子进行交换，从而形成新的无机物质。较低的合成温度使得可以获得通过通常的高温反应方法无法获得的化合物。

离子交换可用性预测的图片。图片来源：铃木一诚

然而，尽管它具有潜力，但缺乏预测离子交换适当材料组合的系统方法，阻碍了其广泛采用，需要费力的试错实验。

“在我们的研究中，我们通过计算机模拟预测了适合离子交换的材料的可行性，”东北大学先进材料多学科研究所的高级助理教授、该论文的合著者铃木一诚(IsseiSuzuki)说。

模拟涉及研究三元纤锌矿型氧化物和卤化物/硝酸盐之间离子交换反应的潜力。具体来说，铃木和他的同事对β-MIGaO2、MI=Na、Li、Cu、Ag作为前体，卤化物和硝酸盐作为离子源的42种组合进行了模拟。

模拟结果分为三类：“发生离子交换”、“不发生离子交换”和“发生部分离子交换(形成固溶体)”。为了证实他们的结果，研究人员通过实际实验验证了模拟结果，证实所有42种组合中的模拟与实验均一致。

铃木相信，他们的进步将加速适合改进能源技术的新材料的开发。“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，而无需实验反复试验。未来，我们计划使用这种方法来寻找具有新的、有吸引力的特性的材料，以解决这些问题能源问题。”

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