Su moleküllerinin iyonların etrafında yapılandırıldığı kapalı nano uzayın görüntüsü. Kredi: Art Action Inc., Takaya Fukui
Killer gibi katmanlı malzemelere katılan su moleküllerinin düzeni ile bu malzemelerdeki iyonların düzeni arasındaki ilişkiyi incelemek, yürütülmesi zor bir deney oldu.{ 4}
Ancak araştırmacılar, son derece küçük kütleleri ve moleküler etkileşimleri nano ölçekte ölçmek için yaygın olarak kullanılan bir tekniği kullanarak bu etkileşimleri ilk kez gözlemlemeyi başardılar.
Bulgular yakın zamanda Nature Communications dergisi.
Pek çok malzeme, mikroskobik veya nano ölçekte katmanlı bir biçim alır. Örneğin killer kuruduklarında birbiri üzerine istiflenmiş bir dizi tabakaya benzerler. Bununla birlikte, bu tür katmanlı malzemeler suyla karşılaştığında, su hapsedilebilir ve katmanlar arasındaki boşluklara veya deliklere veya daha doğrusu “gözeneklere” entegre edilebilir.
Bu tür “hidrasyon”, su moleküller veya onları oluşturan elementler, özellikle bir hidroksit iyonu (tek bir oksijen ve tek bir hidrojen atomunu birleştiren negatif yüklü bir iyon), malzemenin kristal yapısına entegre edilmiştir. Bir “hidrat” olan bu tür malzeme, su artık onun bir parçası olsa bile mutlaka “ıslak” değildir. Hidrasyon orijinal malzemenin yapısını ve özelliklerini de önemli ölçüde değiştirebilir.
Bu “nanoconfinement”te, hidrasyon yapıları -su moleküllerinin veya onları oluşturan elementlerin kendilerini nasıl düzenledikleri- orijinal malzemenin iyonları (pozitif olarak) depolama yeteneğini belirler. veya negatif yüklü atomlar veya atom grupları).
Suyun veya yükün bu şekilde depolanması, geleneksel killerden katmanlı metal oksitlere kadar bu tür katmanlı malzemelerin ve en önemlisi bunların su ile etkileşimlerinin yaygın uygulamalara sahip olduğu anlamına gelir: su arıtmadan enerji depolamaya.
Ancak, bu hidrasyon yapısı ile bu tür katmanlı malzemelerin iyon depolama mekanizmasındaki iyonların konfigürasyonu arasındaki etkileşimi incelemenin büyük bir zorluk olduğu kanıtlanmıştır. Ve bu iyonların herhangi bir hareketi (“iyon taşınması”) boyunca bu hidrasyon yapılarının nasıl değiştiğini analiz etmeye yönelik çabalar daha da zordur.
(a) İçindeki katmanlar arası yapının şeması farklı ana yük yoğunluklarına sahip katmanlı malzemeler. Ara katman boşluğunda, su molekülleri, ana bilgisayar yükü için yükü dengeleyen iyonlarla doldurulmamış gözeneklere dahil edilir. (b) Frekans (Δf) ve dağılımdaki (ΔD) değişikliği gösteren farklı ana yük yoğunluklarına sahip LDH’lerde iyon değişim reaksiyonunun enerji dağılımı izleme (QCM-D) profillerine sahip kuvars kristal mikro terazisi. Kaynak: Tomohito Sudare ve diğerleri, Nat Commun (2022) 13, 6448.
Son araştırmalar, bu tür su yapılarının ve katmanlı malzemelerle etkileşimlerinin, ikinci katmanın verilmesinde önemli bir rol oynadığını göstermiştir. yüksek iyon depolama kapasiteleri, sırasıyla suyu barındıran katmanların ne kadar esnek olduğuna bağlıdır. Katmanlar arasındaki boşlukta, iyonlarla doldurulmayan tüm gözenekler bunun yerine su molekülleriyle doldurularak katmanlı yapının dengelenmesine yardımcı olur.
“Başka bir deyişle, su yapıları, katmanlar arası iyonların nasıl hareket ettiğine karşı hassastır. Yapılandırılmış, ”diyor çalışmanın ilgili yazarı ve Shinshu Üniversitesi Supra-Malzemeler Araştırma Girişimi’nde bir malzeme kimyacısı olan Katsuya Teshima. “Ve birçok farklı kristal yapıdaki bu iyon konfigürasyonu, kaç iyonun depolanabileceğini kontrol etse de, bu tür konfigürasyonlar şimdiye kadar sistematik olarak nadiren araştırılıyordu.”
Bu nedenle Teshima’nın grubu, ‘enerji dağılımı izlemeli kuvars kristali mikro balans’ arayışına girdi. (QCM-D) teorik hesaplamalarına yardımcı olmak için. QCM-D, esasen nano düzeyde son derece küçük kütleleri ve moleküler etkileşimleri ölçebilen bir denge terazisi gibi çalışan bir araçtır. Bu teknik, enerji kaybındaki küçük değişiklikleri de ölçebilir.
Araştırmacılar, QCM-D’yi ilk kez katmanlı malzemelerin nano-uzayında hapsedilmiş su moleküllerinin yapısındaki değişikliğin deneysel olarak ölçülebileceğini göstermek için kullandılar. gözlemlendi.
Bunu, malzemelerin “sertliğini” ölçerek yaptılar. Negatif yüklü bir kil sınıfının katmanlı çift hidroksitlerini (LDH’ler) araştırdılar. Hidrasyon yapılarının, herhangi bir iyon değiştirme reaksiyonu gerçekleştiğinde (bir tür iyonun farklı bir iyon türüyle, ancak aynı değişiklikle yer değiştirmesi) LDH’lerin sertleşmesiyle ilişkili olduğunu buldular.
“Diğerinde Başka bir deyişle, iyon etkileşimindeki herhangi bir değişiklik, iyonlar nano uzaya dahil edildiğinde hidrasyon yapısında meydana gelen değişiklikten kaynaklanır,” diye ekledi şu anda Tokyo Üniversitesi ile birlikte çalışan Tomohito Sudare.
Ek olarak, araştırmacılar, hidrasyon yapısının, katmanlı malzemenin yük yoğunluğuna (birim hacim başına düşen yük miktarı) büyük ölçüde bağımlı olduğunu bulmuşlardır. Bu da büyük ölçüde iyon depolama kapasitesini yöneten şeydir.
Araştırmacılar artık bu ölçüm yöntemlerini iyonların hidrasyon yapısı bilgisiyle birlikte uygulamayı ve katmanlı iyon depolama kapasitesini iyileştirmek için yeni teknikler tasarlamayı umuyorlar. malzemeler, potansiyel olarak iyon ayırma ve sürdürülebilir enerji depolama için yeni yollar açıyor.
Referans: “Katmanlı çift hidroksitlerde iyon depolama için ara katman iyonlarının etrafındaki su yapısının kritik rolü”, yazan Tomohito Sudare, Takuro Yamaguchi, Mizuki Ueda, Hiromasa Shiiba, Hideki Tanaka, Mongkol Tipplook, Fumitaka Hayashi ve Katsuya Teshima, 28 Ekim 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-34124-9
Çalışma, Çevresel Restorasyon ve Koruma Ajansı, Japonya Bilim Teşvik Derneği ve Japonya Eğitim, Kültür, Spor, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı tarafından finanse edilmektedir.