Lille skala, store forbedringer

Metoder til at forbedre vandrensning eller bygge bedre batterier er problemer, som har udfordret videnskabsmænd i årtier. Fremskridtene er gået fremad, men stigende efterspørgsel flytter målstregen længere og længere væk.

På samme tid, de kemiske reaktioner, der gør disse forbedringer mulige, sker på skalaer, der er usynlige for det blotte øje (atomskalaen), hvor væsker og faste overflader mødes, gør arbejdet endnu sværere.

At vide, hvordan disse kemiske interaktioner forekommer ved faststof-væske-grænsefladen, er kritisk i problemer af stor interesse for Department of Energy (DOE), især fordi det vedrører miljø- og vandkvalitetsspørgsmål, der kan blive påvirket af energiproduktion i stor skala.

Nu, en ny teknik udviklet af et team, herunder University of Delaware Prof. Neil Sturchio og kolleger ved Argonne National Laboratory og University of Illinois i Chicago har produceret observationer i realtid, der dokumenterer de kemiske reaktioner, der sker mellem væsker og faste stoffer.

Teknikken giver data, der kan bruges til at forbedre forudsigelser af, hvordan næringsstoffer og forurenende stoffer vil bevæge sig i naturlige systemer eller til at måle effektiviteten af ​​vandrensningsmetoder, hvor ionbytning er afgørende for desinfektion.

Det kan også hjælpe videnskabsmænd med at drille begrænsende faktorer til superkondensatorer - robuste energilagringsenheder, der ofte bruges over almindelige batterier til at drive forbrugerelektronik, hybridbiler, selv stor industriel kraft.

Energiudveksling i kemiske reaktioner

Sturchio, en geokemiker, har undersøgt mineral/vand interaktioner i 25 år med midler fra DOE. Han og hans samarbejdspartnere demonstrerede for nylig en ny måde at studere den mikroskopiske struktur og processer, der opstår, hvor mineraler og vand mødes, ved hjælp af røntgenstråler til at udløse reaktionerne, mens der tages billeder af deres virkninger på mineraloverfladen.

Nu ved hjælp af en metode kaldet Resonant Anomalous X-Ray Reflectivity (RAXR), forskerne er i stand til at gå et skridt videre og skelne identiteten af ​​det element, der undersøges.

"Med vores tidligere metoder, vi kunne se elektrondensitetsprofilen på atomare skala af grænsefladeregionen - en nanometertyk zone inklusive mineraloverfladen og den tilstødende opløsning - men kunne ikke entydigt identificere atomlagene, " sagde Sturchio, professor og formand for Institut for Geologiske Videnskaber i UD's College of Earth, Ocean, og miljø.

Teknikken kræver en krystal af høj kvalitet, så forskerne valgte glimmer, et mineral, der i struktur ligner de rigelige lermineraler i jord, der producerer en atomisk flad krystal, der er nyttig i laboratorieundersøgelser af grænsefladeegenskaber.

Forskerne reflekterede en intens røntgenstråle fra en glimmerprøve i skiftevis kontakt med to forskellige saltopløsninger indeholdende rubidium og natriumchlorid. Ved at ændre strålevinklen, videnskabsmænd var i stand til at scanne grænsefladeprofilen i atomskala. Ved at ændre strålens energi i en fast vinkel, de kunne isolere fordelingen af ​​rubidiumioner i grænsefladeregionen.

"I dette tilfælde, vi kan stille ind og spørge specifikt, hvor er rubidium? Hvordan er det knyttet til glimmerkrystallen, og hvordan frigives det til opløsningen?" sagde han.

Ifølge Sturchio, de fleste kemiske reaktioner i grundvandet og i atmosfæren, såvel som under industrielle processer, herunder vandrensning og nogle former for energilagring, ske ved overflader som elektroder eller partikler. Når der opstår en kemisk reaktion, ioner sparkes af eller trækkes på, og energi udveksles. At forstå kvantitativt, hvordan ionerne udveksles i denne skala, kan bruges til at designe kemiske processer for at forbedre vandrensning eller forstå, hvordan forurenende stoffer transporteres i jord og grundvand.

I dette projekt, forskerne ville se, hvad der skulle til for at få rubidium, et alkalimetal, for at frigøres fra glimmeroverfladen, når den først var fastgjort. De opnåede dette ved hurtigt at ændre opløsningen, der flyder over glimmerkrystallen, fra rubidiumchlorid til et mere koncentreret natriumchlorid, timede derefter reaktionen for at bestemme, hvor lang tid det tog for rubidiumionerne at frigive (desorbere) fra glimmeren, og for natriumchloridionerne at tage deres plads (adsorbere).

Generelt, adsorptionsreaktioner menes at forekomme i millisekunder, men her tog det 25 sekunder for rubidium at frigives fra overfladen (desorption) og natriumionerne at tage deres plads (adsorption).

Jo tættere rubidium var på mineral/vand-grænsefladen, jo mere fast blev dens position (på grund af elektrostatisk energi - den slags, der får en ballon til at klæbe til en væg, efter man har gnidet den mod en sweater), og jo mere energi krævedes der for at lirke den væk fra glimmeren. Omvendt jo flere vandmolekyler mellem krystallens overflade og rubidiumionen, jo mere slingreplads rubidium havde i sin position, og jo mindre energi tog det at bryde væk. Eksperimenterne hjalp med at kvantificere de minimale mængder energi, der blev overført under alkali-ionbytning ved denne grænseflade, og involvering af vandmolekyler i reaktionsmekanismen.

Reaktionen var langsommere, end forskerne havde forventet, og mens yderligere undersøgelse er påkrævet, de er enige om, at resultaterne giver bevis for at forstå de tidsrammer, der er nødvendige for, at de ønskede reaktioner kan forekomme.

Derimod da løsningerne blev skiftet tilbage, rubidium adsorberes på glimmeroverfladen meget hurtigere, end det desorberede, ved at kaste sine vedhæftede vandmolekyler, viser, at hydrering er vigtig for reaktionen.

"For at designe en industriel proces skal du vide præcis, hvad der sker på overfladen, " sagde Sturchio. "Så vidt vi ved, det er første gang nogen har dokumenteret så detaljeret information om, hvordan disse ionbytterreaktioner foregår på en mineraloverflade i kontakt med vand, og i dette tilfælde, vi har gode beviser for, hvor lang tid det rent faktisk tager«.