Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры

В новой работе, опубликованной в журнале JACS AU, исследователи из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн проанализировали влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры, что имеет значение для восстановления и переработки важнейших материалов и восстановления окружающей среды.

Профессор химической и биомолекулярной инженерии (ChBE) Сяо Су возглавил исследование, в ходе которого были изучены научные основы селективности «предпочтений» моновалентных и двухвалентных анионов по отношению к окислительно-восстановительным полимерам. Другими словами, почему, когда электроды покрыты пленками окислительно-восстановительных полимеров и к ним прикладывается потенциал, один ион предпочитает окислительно-восстановительный полимер, а другой нет.

Идея проста, — говорит Су.

Когда вы прикладываете потенциал, вы связываете ион, и тогда вы хотите иметь поверхность, которая обеспечивает селективность по отношению к нужному вам иону. Затем, приложив противоположный потенциал, вы можете регенерировать его. Таким образом, вы получаете полностью электрохимически управляемый, экологичный способ разделения ионов. Ключевым моментом в этом процессе является понимание того, почему ионы предпочитают электрод именно так, как они это делают.

Команда предположила, что сольватация играет определенную роль в определении селективности.

Работая с Джимом Браунингом, Ханью Вангом и Матом Дусе из Ок-Риджской национальной лаборатории, команда использовала нейтронную рефлектометрию (NR) для наблюдения за набуханием пленок, а также за количеством и распределением воды, попадающей в полимер при подаче потенциала. В данном случае использовались две тонкие редокс-активные металлополимерные пленки с различными гидрофильными/гидрофобными характеристиками — поли (винилферроцен) (PVFc) и поли (3-ферроценилпропилметакриламид) (PFPMAm) — и целью было отделение рения от молибдена.

К пленкам PVFc и PFPMAm в растворе, содержащем рений, и аналогичном растворе, содержащем молибден, была приложена последовательность восстановительных/окислительных потенциалов — достаточное количество потенциалов, чтобы соответственно восстановить или окислить пленки. Они отслеживали процесс набухания с помощью ЯКР и спектроскопической эллипсометрии (SE), а также использовали электрохимический кварцевый микровесы (EQCM) для мониторинга изменения массы на границе раздела фаз. Сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Мань Нгуен и Ванда Глезакоу, провели расчеты молекулярной динамики ab initio (AIMD) — мощный инструмент, моделирующий физику, происходящую на электроде.

NR, SE и EQCM использовались in situ, что дало исследователям уникальную возможность получить более четкую молекулярную картину поведения, чем когда-либо прежде.

Нейтроны сыграли ключевую роль в отслеживании движения воды в полимерах в реальных рабочих условиях, — говорит Риккардо Кандеаго, аспирант ChBE, который является первым автором статьи.

Используя несколько методов in situ, а также моделирование, мы получили полное представление о нашей системе.

Анализ показал, что пленки PVFc и PFPMAm набухают в присутствии моновалентного аниона рения, но не двухвалентного аниона молибдена.

Мы обнаружили, что сольватация действительно играет определенную роль: PVFc, более гидрофобный полимер, предпочитает наименее сольватированный анион — в данном случае рений, — говорит Су.

А двухвалентные анионы, когда они приходят, на самом деле имеют тенденцию к электростатическому сшиванию пленки, поэтому она не так хорошо поддается регенерации. В общем, эти пленки очень хорошо улавливают эти однозарядные ионы.

Су говорит, что полученные им результаты помогут разработать более совершенные системы разделения ионов, такие как рециклинг материалов и восстановление металлов. Например, рений является одновременно ценным металлом, используемым в качестве катализатора, и аналогом технеция — радиоактивного элемента, который трудно выделить из ядерных отходов, поэтому улавливание рения имеет большое значение для рециклинга стратегических металлов. Но эти передовые методы определения характеристик могут быть использованы и для более широких классов полимеров, а не только для металлополимеров, что означает создание более совершенных систем для таких процессов, как очистка воды и восстановление окружающей среды.

Такое понимание стало возможным только благодаря использованию этих инструментов, и это может дать нам много нового, — говорит Су.

Так, при разработке систем, способных захватывать ионы с различными зарядами, а также ионы с различными свойствами сольватации, это может помочь нам установить некоторые принципы проектирования. В целом, это очень фундаментальное исследование, но оно имеет практическое применение в будущем.

13.04.2024


Подписаться в Telegram



Экология

Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода
Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода

Новое исследование, проведенное Университетом ...

NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата

Виноград, выращиваемый для производства в...

Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии

Исследователи из Токийского столичного ун...

Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике
Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике

Арктика, ледяная корона Земли, переживает клим...

EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении
EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении

Изменение климата может представлять большую о...

Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных
Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных

Прибрежные леса в Японии преимущественно ...

PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата
PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата

Центральные особенности эволюции человека могу...

Ртуть в тропиках — скрытая опасность
Ртуть в тропиках — скрытая опасность

Неоново-зеленые капюшоны, бирюзовые брюшки, на...

Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов
Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов

Бразильские исследователи протестировали фоток...

Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды
Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды

В ходе исследования, которое может улучшить пр...

Ученые выяснили, как получить менее липкий лед
Ученые выяснили, как получить менее липкий лед

Готовясь к зиме многие американцы столкну...

Механические устройства для очистки водоемов от пластика ненадежны
Механические устройства для очистки водоемов от пластика ненадежны

Международная группа ученых предостерегла от&n...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь

Новости компаний, релизы

Ученые ТПУ выяснили, что заболевания ЦНС за последние 30 лет вышли на первое место по влиянию на здоровье населения
Физики СПбГУ и Института проблем машиноведения РАН улучшили ударопрочные характеристики нержавеющей стали
КВЗ принимает заявки на целевое обучение в проект «Крылья Ростеха»
В Петербурге снизилось количество разрушающих озоновый слой газов
Исследователи используют кантианскую модель рациональности для оценки этичности решений ИИ