Understanding and Tuning the Electronic Properties of Prussian Blue Analogues

普鲁士蓝 材料科学 纳米技术 化学 物理化学 电极 电化学
作者
Liangbo Liang,D. Robinson,Nannan Wu,Michael E. Foster,Petro Maksymovych,A. Alec Talin,Bobby G. Sumpter
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:37 (16): 6140-6150
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5c00596
摘要

Prussian blue analogues (PBAs) have attracted increasing interest owing to their potential applications in various fields such as energy storage and conversion, neuromorphic computing, and magnetic switching. With a general formula of AxMN[MC(CN)6], they feature an open framework that provides abundant channels for diffusion of alkali metal ions A and allows flexible compositional control of transition metal ions MN and MC. The oxidation states of transition metal ions can be tuned by adjusting the amount (x) of alkali ions A. Here, we carried out density functional theory calculations combined with experimental measurements to investigate the effects of transition metal ions, alkali ions, and oxidation states on the electronic properties of PBAs. Our calculations found that the band gaps of PBAs can be tuned from close to 0 eV to more than 4 eV. Experimentally, we introduced the synthesis/characterization of five previously unreported PBAs (MN = Ru, Os; MC = Fe, Ru, and Os) to complete the nine stable MN:MC transition metal combinations in group VIII of the periodic table. The optically measured intervalence charge transfer excitation energies of group VIII PBAs are consistent with calculated band gaps. They demonstrate wide band gap tunability by adjusting transition metals and oxidation states, enabling semiconductor-to-metal transitions for memristor applications and enhancing electronic conductivity for battery applications. This work provides a computational/experimental database of electronic properties versus structural compositions for PBAs.
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