Un nuovo studio condotto da ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign fa avanzare le conoscenze fondamentali sul ruolo della solvatazione nel legame ionico e presenta un nuovo percorso per il controllo elettrochimico della selettività ionica. Lo studio è stato pubblicato su JACS Au .
Il team, guidato dal professore di ingegneria chimica e biomolecolare Xiao Su e recentemente laureato con un dottorato di ricerca. lo studente Raylin Chen, sta basandosi sul loro lavoro precedente sull'esplorazione delle separazioni elettrochimiche degli ioni, che ha rivelato che un meccanismo fondamentale per legare gli ioni è la solvatazione.
Qui, i ricercatori hanno deciso di controllare la solvatazione di un polimero e di usarlo per legare diversi ioni appositamente per farlo tramite un processo elettrochimico attraverso un approccio unico. Per raggiungere questo obiettivo, hanno creato un sistema copolimerico contenente N-isopropil acrilammide (NIPAM), che in precedenza è stato dimostrato essere un materiale sensibile alla temperatura, e vi hanno introdotto unità redox-attive.
Poiché il copolimero ha due unità, una elettroattiva e l'altra che è l'unità termo-reattiva originale, ora sono disponibili due percorsi per controllare la solvatazione.
"Sintoniando il potenziale, sostanzialmente costringiamo il NIPAM a prendere acqua o a rilasciarla in base all'elettrochimica", ha detto Su. "Quindi, invece di eseguire una transizione termica su NIPAM, stiamo eseguendo una transizione elettrochimica su NIPAM."
Il copolimero ha prodotto film di gel, che sono diventati la loro piattaforma per separazioni di ioni controllate dalla solvatazione. I ricercatori sono stati in grado di eseguire test utilizzando l'ellissometria in situ, un metodo da loro creato che consente loro di osservare lo spessore del film che si gonfia e si sgonfia in risposta all'aggiunta o al rilascio di acqua in base all'elettrochimica.
Collaborando con un team dell'Oak Ridge National Laboratory guidato da Jim Browning, Hanyu Wang e Mat Doucet, hanno utilizzato una tecnica avanzata chiamata riflettometria neutronica (NR).
"Fondamentalmente, i neutroni ti permettono di vedere cose che normalmente non puoi vedere usando tecniche standard come i raggi X", ha detto Su. "I neutroni sono molto sensibili all'acqua, quindi possono dirti quanta acqua c'è nel contenuto di un materiale."
NR ha permesso loro di vedere la solvatazione, ovvero la quantità di acqua distribuita sulla pellicola, e ha dimostrato che, a livello potenziale, la pellicola si gonfia e assorbe acqua. Su ha detto che i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che con diversi gradi di assorbimento di acqua, potevano controllare la selettività ionica.
Poiché il loro lavoro offre un sistema che può essere attivato sia dalla temperatura che dal potenziale elettrochimico, pone le basi per una piattaforma di materiali che potrà essere utilizzata in futuro in diversi scenari sostenibili, ad esempio alimentata da energia rinnovabile o dal calore di scarto.
"Il nostro lavoro fa avanzare l'area delle separazioni elettrochimiche per il trattamento delle acque e il recupero delle risorse fornendo una comprensione più approfondita dei meccanismi molecolari", ha affermato Su. "Per sviluppare tecnologie più efficienti e selettive dal punto di vista energetico, è importante esercitare un controllo più preciso sui meccanismi di legame degli ioni. Ci auguriamo che il nostro lavoro contribuisca a questo obiettivo chiarendo l'importanza della solvatazione."
Ulteriori informazioni: Raylin Chen et al, Copolimeri redox termo-elettro-reattivi per la solvatazione amplificata, il controllo morfologico e le interazioni ioniche sintonizzabili, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00486
Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering
