08/08/2018
Door Ad Spijkers
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Universität Bayreuth heeft chemische verbindingen geproduceerd die polymeerketens bevatten die alleen uit stikstof zijn opgebouwd.
Nitriden vormen een voor onderzoek interessante klasse van anorganische materialen omdat ze vaak uitstekende fysieke en chemische eigenschappen hebben. Zo kenmerken nitriden van overgangsmetalen veelal een hoge hardheid, hoog smeltpunt en uitstekende stabiliteit. Dergelijke stikstofverbindingen via synthese te produceren is echter moeilijk.
Onder normale omgevingscondities komt stikstof voornamelijk voor als gas (N2), dat met maar weinig andere elementen verbindingen aangaat. De grootste hindernis bij de productie van verbindingen met een hoogstikstofgehalte is, dat twee stikstofatomen met elkaar zijn verbonden door een drievoudige verbinding, die bij buitengewoon hoge temperaturen moet worden verbroken. Hoe hoog hangt af van de respectievelijke stikstofhoudende verbinding die synthetisch moet worden gemaakt.
Doelgerichte synthese
De onderzoekers konden deze hindernis overwinnen. Met technologieën uit het hogedrukonderzoek hebben ze een testomgeving gecreëerd waarin de synthese van verbindingen met een hoog stikstofgehalte gericht kan worden gestuurd.
In een met stikstof gevulde diamantkamer werd poedervormig ijzer en in een volgende serie proeven poedervormig rhenium blootgesteld aan een druk van meer dan meer dan 100 GPa (een miljoen atmosfeer). Tegelijkertijd werden deze materiaalmonsters door een laserbron verhit tot zo'n 1500°C. Aan de hand van röntgenbuigingsmonster hebben de wetenschappers waargenomen hoe onder deze omstandigheden ongewone verbindingen ontstaan.
Uit ijzerpoeder en stikstof ontstond in de diamantkamer het ijzernitride FeN4. Dit kenmerkt zich door ketens van stikstofatomen waarin dubbele en enkele verbindingen tussen stikststofatomen elkaar afwisselen (foto boven; blauw = stikstofatoom).
Uit rhenium en stikstof ontwikkelde zich een zeer ongewone verbinding met de totaalformule ReN8 xN2. Dit polynitride heeft niet alleen polymeerketens die alleen uit stikstof zijn opgebouwd. Het bevat bovendien kanalen waarin zich stikstofmoleculen nestelen zonder dat sprake is van wisselwerkingen tussen deze 'gastmoleculen' en de uit ReN8 bestaande raamstructuur (foto onder'blauw is stikstofatoom in geraamte, rood = stikstofatoom in kanaal).
Perspectieven voor de energiesector
De beide nieuwe verbindingen vormen een nieuwe klasse van stikstofverbindingen: metaal-stikstof-geraamten. De stikstofverbindingen zijn met het oog op het toekomstig energieonderzoek en de energietechnologie vooral interessant omdat ze een ongewoon hoge energiedichtheid hebben. Zo is de energiedichtheid van ReN₈·xN₂ een veelvoud van dit van trinitrotolueen (TNT).
De onderzoeksresultaten kunnen volgens de onderzoekers al snel het uitgangspunt worden voor de ontwikkeling van nieuwe materialen die een belangrijke bijdrage aan de energievoorziening van de toekomst vormen. Het aandeel duurzame energie kan significant toenemen wanneer het lukt voldoende hoge en tegelijkertijd flexibele opslagcapaciteit te bieden.
(Tekeningen: Maxim Bykov.)