Undersøgelse præsenterer ny vej til elektrokemisk styring af ionselektivitet

En ny undersøgelse foretaget af forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign fremmer grundlæggende viden om solvatiseringens rolle i ionbinding og præsenterer en ny vej til elektrokemisk styring af ionselektivitet. Undersøgelsen blev offentliggjort i JACS Au .

Holdet, ledet af professor i Chemical &Biomolecular Engineering Xiao Su og nyligt uddannet ph.d. studerende Raylin Chen, bygger videre på deres tidligere arbejde med at udforske elektrokemiske adskillelser af ioner, som har afsløret, at en kritisk mekanisme for binding af ioner er solvatisering.

Her satte forskerne sig for at kontrollere opløsningen af ​​en polymer og bruge den til at binde forskellige ioner specifikt til at gøre det via en elektrokemisk proces gennem en unik tilgang. For at opnå det skabte de et copolymersystem indeholdende N-isopropylacrylamid (NIPAM) – som tidligere har vist sig at være et temperaturfølsomt materiale – og introducerede redoxaktive enheder til det.

Fordi copolymeren har to enheder – en der er elektroaktiv og en der er den originale termo-responsive enhed – er der nu to tilgængelige veje til at kontrollere solvatisering.

"Ved at justere potentialet tvinger vi grundlæggende NIPAM til at tage vand eller frigive vand baseret på elektrokemi," sagde Su. "Så i stedet for at lave en termisk overgang på NIPAM, laver vi en elektrokemisk overgang på NIPAM."

Copolymeren gav gelfilm, som blev deres platform for solvatiseringskontrollerede ionseparationer. Forskerne var i stand til at udføre tests ved hjælp af in situ ellipsometri, en metode, de skabte, der giver dem mulighed for at observere tykkelsen af ​​filmen, der hæver og svulmer op som reaktion på tilsætning eller frigivelse af vand baseret på elektrokemi.

I samarbejde med et team på Oak Ridge National Laboratory ledet af Jim Browning, Hanyu Wang og Mat Doucet brugte de en avanceret teknik kaldet neutronreflektometri (NR).

"Dybest set giver neutroner dig mulighed for at se ting, som du normalt ikke kan se ved hjælp af standardteknikker som røntgenstråler," sagde Su. "Neutroner er meget følsomme over for vand, så neutroner kan fortælle dig, hvor meget vand der er i indholdet af et materiale."

NR tillod dem at se solvatisering, eller hvor meget vand der er fordelt over filmen, og viste, at under potentiale svulmer filmen og optager vand. Su sagde, at forskerne var i stand til at påvise, at med forskellige grader af vandoptagelse kunne de kontrollere ionselektiviteten.

Fordi deres arbejde tilbyder et system, der kan aktiveres både af temperatur og af elektrokemisk potentiale, sætter det scenen for en materialeplatform, der kan bruges i fremtiden under forskellige bæredygtige scenarier - for eksempel drevet af vedvarende energi eller af spildvarme.

"Vores arbejde fremmer området for elektrokemiske separationer til vandbehandling og ressourcegenvinding ved at give en mere dybdegående forståelse af de molekylære mekanismer," sagde Su. "For at udvikle teknologier, der er mere energieffektive og selektive, er det vigtigt at udøve mere præcis kontrol over ionbindingsmekanismer. Vi håber, at vores arbejde bidrager til dette mål ved at belyse vigtigheden af ​​solvation."

Flere oplysninger: Raylin Chen et al., Thermo-Electro-Responsive Redox-Copolymers for Amplified Solvation, Morphological Control, and Tunable Ion Interactions, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00486

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering