Ученые выяснили, как меняется ионная емкость глин, смоченных водой

Изучение взаимодействия между структурой молекул воды, включенных в слоистые материалы, такие как глины, и конфигурацией ионов в таких материалах долгое время оставалось сложной экспериментальной задачей.

Но теперь исследователи впервые использовали для наблюдения метод, который обычно применяется для измерения чрезвычайно малых масс и молекулярных взаимодействий на наноуровне.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications 28 октября 2022 года.

Многие материалы имеют слоистую форму на микроскопическом или наноуровне. Например, в сухом состоянии глина напоминает ряд листов, сложенных друг на друга. Однако, когда такие слоистые материалы сталкиваются с водой, вода может попасть в зазоры или отверстия, или, более точно, в поры, между слоями.

Подобная гидратация может также наблюдаться, когда молекулы воды или их составные элементы, в частности гидроксид-ион (отрицательно заряженный ион, объединяющий один атом кислорода и один атом водорода), интегрируются в кристаллическую структуру материала. Этот тип материала, гидрат, не обязательно станет мокрым, даже если вода теперь становится его частью. То есть выходит сухим из воды. А еще гидратация может существенно изменить структуру и свойства исходного материала.

В этом наноконфигурировании структуры гидратации — то, как расположены молекулы воды или их составные элементы — определяют способность исходного материала накапливать ионы (положительно или отрицательно заряженные атомы или группы атомов).

Такое хранение воды или заряда означает, что подобные слоистые материалы, от обычных глин до слоистых оксидов металлов, и, что очень важно, их взаимодействие с водой, имеют потенциальное широкое применение, от очистки воды до хранения энергии.

Однако изучение взаимодействия между структурой гидратации и конфигурацией ионов в механизме хранения ионов в таких слоистых материалах оказалось очень сложной задачей. А попытки проанализировать, как эти гидратационные структуры изменяются в ходе любого движения этих ионов (ионная передача), еще более сложны.

Последние исследования показали, что подобные водные структуры и взаимодействие со слоистыми материалами играют важную роль в придании последним высокой ионоаккумулирующей способности, которая, в свою очередь, зависит от того, насколько гибкими являются слои, в которых находится вода. В пространстве между слоями поры, не заполненные ионами, заполняются молекулами воды, что помогает стабилизировать слоистую структуру.

Другими словами, структура воды чувствительна к тому, как устроены межслоевые ионы, — говорит Кацуя Тешима, автор-корреспондент исследования и химик-материаловед из Исследовательской инициативы по суперматериалам при Университете Синсю.

И хотя эта конфигурация ионов во многих различных кристаллических структурах определяет, сколько ионов может быть запасено, такие конфигурации до сих пор редко подвергались систематическому исследованию.

Поэтому группа Тешимы обратилась к» кварцевым кристаллическим микровесам с мониторингом рассеивания энергии» (QCM-D), чтобы помочь в теоретических расчетах. QCM-D — это прибор, работающий как весы, который может измерять очень маленькие массы и молекулярные взаимодействия на наноуровне. Метод также позволяет измерять крошечные изменения в потере энергии.

Исследователи использовали QCM-D, чтобы впервые показать, что изменение структуры молекул воды, заключенных в нанопространстве слоистых материалов, можно наблюдать в ходе экспериментов.

Для этого они измерили твердость материалов. Авторы исследовали слоистые двойные гидроксиды (LDHs) из класса отрицательно заряженных глин. Они обнаружили, что структуры гидратации связаны с затвердеванием материала, когда протекает любая реакция ионного обмена (замена одного вида ионов на другой вид ионов, но с тем же изменением).

Любое изменение во взаимодействии ионов связано с изменением структуры гидратации, которое происходит при включении ионов в нанопространство, — добавил, сотрудник исследования, работающий сейчас в Токийском университете.

Кроме того, исследователи обнаружили, что структура гидратации сильно зависит от плотности заряда (количество 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 к хранению ионов, что может открыть новые возможности для разделения ионов и устойчивого хранения энергии.

20.01.2023