Открыт новый способ электрохимического управления селективностью ионов

Новое исследование ученых из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн расширяет фундаментальные знания о роли сольватации в связывании ионов и представляет новый путь для электрохимического управления селективностью ионов.

Исследование опубликовано в журнале JACS Au.

Команда под руководством профессора химической и биомолекулярной инженерии Сяо Су и недавно окончившей аспирантуру Рейлин Чен основывается на результатах своей предыдущей работы по изучению электрохимического разделения ионов, в ходе которой выяснилось, что важнейшим механизмом связывания ионов является сольватация.

В данном случае исследователи поставили перед собой задачу контролировать сольватацию полимера и использовать ее для связывания различных ионов, причем делать это с помощью электрохимического процесса, используя уникальный подход. Для этого они создали сополимерную систему, содержащую N-изопропилакриламид (NIPAM), который, как было показано ранее, является термочувствительным материалом, и ввели в него окислительно-восстановительные активные единицы. Поскольку сополимер имеет две единицы — электроактивную и термореактивную — теперь есть два пути для управления сольватацией.

Настраивая потенциал, мы, по сути, заставляем NIPAM принимать воду или выделять ее в зависимости от электрохимии, — говорит Су.

Таким образом, вместо термического перехода в NIPAM мы осуществляем электрохимический переход в NIPAM.

Сополимер позволил получить гелевые пленки, которые стали платформой для разделения ионов под контролем сольватации. Исследователи смогли провести испытания с помощью созданного ими метода эллипсометрии in situ, который позволяет наблюдать за толщиной пленки, набухающей и разбухающей в ответ на добавление или выделение воды на основе электрохимии. В сотрудничестве с группой специалистов из Ок-Риджской национальной лаборатории под руководством Джима Браунинга, Ханью Ванга и Мата Дусе они использовали передовую методику, называемую нейтронной рефлектометрией (NR).

По сути, нейтроны позволяют увидеть то, что обычно невозможно увидеть с помощью стандартных методов, таких как рентгеновское излучение, — говорит Су.

Нейтроны очень чувствительны к воде, поэтому по нейтронам можно определить, сколько воды содержится в материале.

Нейтроны позволили им увидеть сольватацию, или то, как много воды распределено по пленке, и показали, что под действием потенциала пленка набухает и впитывает воду. По словам Су, исследователи смогли продемонстрировать, что при различной степени поглощения воды они могут управлять селективностью ионов.

Поскольку их работа предлагает систему, которая может быть активирована как температурой, так и электрохимическим потенциалом, она закладывает основу для создания материальной платформы, которая может быть использована в будущем в различных устойчивых сценариях — например, для питания от возобновляемых источников энергии или отработанного тепла.

Наша работа продвигает область электрохимического разделения для очистки воды и восстановления ресурсов, обеспечивая более глубокое понимание молекулярных механизмов, — говорит Су.

Для разработки более энергоэффективных и селективных технологий важно обеспечить более точный контроль над механизмами связывания ионов. Мы надеемся, что наша работа внесет свой вклад в достижение этой цели, прояснив важность сольватации.

Новое исследование предлагает систему для контроля селективности ионов, которая может быть активирована как температурой, так и электрохимическим потенциалом, что позволяет создать более точную платформу для удаления ионов из воды, и модульную с точки зрения того, что она может использовать два стимула.

Данная работа важна тем, что она предлагает систему, которая может быть активирована как температурой, так и электрохимическим потенциалом, что позволяет создать материальную платформу, которая может быть использована в будущем в различных сценариях (например, питаться от возобновляемой электроэнергии или даже, возможно, отработанного тепла). С точки зрения применения, мы предполагаем, что эта система станет более точной платформой для удаления ионов из воды, а модульность заключается в том, что она может использовать два стимула (тепло и электричество).

13.12.2023