Взаимодействие ионов воды в слоистых материалах

Изображение замкнутого нанопространства, в котором молекулы воды структурированы вокруг ионов. Авторы и права: Art Action Inc., Такая Фукуи.

Изучение взаимосвязи между расположением молекул воды, включенных в слоистые материалы, такие как глины, и расположением ионов внутри этих материалов было трудным для проведения экспериментом.

Однако теперь исследователям впервые удалось наблюдать эти взаимодействия, используя метод, обычно используемый для измерения чрезвычайно малых масс и молекулярных взаимодействий в наномасштабе.

Результаты были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.

Слоистая форма природных материалов

Многие материалы принимают слоистую форму в микроскопическом или наномасштабе. В сухом виде глины, например, напоминают ряд листов, уложенных друг на друга. Однако когда такие слоистые материалы сталкиваются с водой, эта вода может удерживаться и интегрироваться в зазоры или отверстия — или, точнее, в «поры» — между слоями.

Такая «гидратация» также может происходить, когда молекулы воды или составляющие их элементы, особенно ион гидроксида (отрицательно заряженный ион, объединяющий один атом кислорода и один атом водорода ), интегрируются в кристаллическую структуру материала. Этот тип материала, «гидрат», не обязательно является «влажным», хотя теперь его частью является вода. Гидратация также может существенно изменить структуру и свойства исходного материала.

В этом «наноконфайнменте» гидратационные структуры — то, как устроены молекулы воды или составляющие их элементы — определяют способность исходного материала накапливать ионы (положительно или отрицательно заряженные атомы или группы атомов).

Это хранение воды или заряда означает, что такие слоистые материалы, от обычных глин до слоистых оксидов металлов, и, что особенно важно, их взаимодействия с водой, имеют широкое применение, от очистки воды до хранения энергии.

Однако изучение взаимодействия между этой структурой гидратации и конфигурацией ионов в механизме накопления ионов таких слоистых материалов оказалось большой проблемой. А попытки проанализировать, как эти гидратные структуры изменяются в ходе любого движения этих ионов («ионный транспорт»), еще более трудны.

(а) Схема межслойной структуры в слоистых материалах с различной плотностью заряда матрицы. В межслоевом пространстве молекулы воды внедряются в поры, не заполненные ионами, компенсирующими заряд, для заряда хозяина. (б) Микровесы кварцевого кристалла с мониторингом диссипации энергии (QCM-D) профили ионообменной реакции в СДГ с различной плотностью заряда хозяина, показывающие изменение частоты (Δf) и диссипации (ΔD). Предоставлено: изменено из Tomohito Sudare et al. , Нацкоммуна (2022) 13, 6448.

Недавние исследования показали, что такие структуры воды и взаимодействие со слоистыми материалами играют важную роль в придании последним их высокой емкости хранения ионов, что, в свою очередь, зависит от того, насколько гибкими являются слои, вмещающие воду. В пространстве между слоями любые поры, которые не заполнены ионами, вместо этого заполняются молекулами воды, помогая стабилизировать слоистую структуру.

«Иными словами, структура воды чувствительна к тому, как устроены межслоевые ионы», — сказал Кацуя Тешима, автор исследования и химик-материаловед из исследовательской инициативы Supra-Materials в Университете Шиншу. «И хотя эта конфигурация ионов во многих различных кристаллических структурах определяет, сколько ионов может храниться, такие конфигурации до сих пор редко систематически исследовались».

Поэтому группа Тешимы обратилась к «микровесам на кристалле кварца с контролем рассеяния энергии» (QCM-D), чтобы помочь им в теоретических расчетах. QCM-D — это, по сути, инструмент, который работает как весы и может измерять чрезвычайно малые массы и молекулярные взаимодействия на наноуровне. Этот метод также может измерять крошечные изменения в потерях энергии.

Структуры молекул воды, находящихся в нанопространстве слоистых материалов

• Исследователи использовали QCM-D, чтобы впервые продемонстрировать, что изменение структуры молекул воды, находящихся в нанопространстве слоистых материалов, можно наблюдать экспериментально.
• Они сделали это, измерив «твердость» материалов. Они исследовали слоистые двойные гидроксиды (СДГ) класса отрицательно заряженных глин. Они обнаружили, что гидратационные структуры были связаны с отверждением СДГ, когда происходит какая-либо реакция ионного обмена (замена иона одного типа ионом другого типа, но с тем же изменением).
• «Другими словами, любое изменение взаимодействия ионов происходит из-за изменения структуры гидратации, которое происходит, когда ионы включаются в нанопространство», — добавил Томохито Сударе, сотрудничающий с Токийским университетом.
• Кроме того, исследователи обнаружили, что структура гидратации сильно зависит от плотности заряда (количества заряда на единицу объема) слоистого материала. Это, в свою очередь, в значительной степени определяет емкость хранения ионов.

Теперь исследователи надеются применить эти методы измерения вместе со знаниями о структуре гидратации ионов для разработки новых методов улучшения способности слоистых материалов накапливать ионы, потенциально открывая новые возможности для разделения ионов и устойчивого накопления энергии.

Источник

Метки: Атомы