Elegant teori viser, hvordan vand hjælper med at adskille ioner involveret i materialesyntese og -fremstilling

Vand spiller en afgørende rolle i forskellige materialesyntese- og fremstillingsprocesser, herunder elektrokemiske reaktioner og batteridrift. Imidlertid er den detaljerede mekanisme for, hvordan vandmolekyler interagerer med ioner og påvirker deres adskillelse, stadig ikke fuldt ud forstået. En ny teoretisk ramme, udviklet af forskere ved University of Warwick, giver en omfattende forståelse af vands rolle i disse processer.

Forskerholdet anvendte density functional theory (DFT) beregninger til at undersøge opførselen af ​​vandmolekyler i nærvær af ioner. DFT er et kraftfuldt værktøj til at simulere den elektroniske struktur af materialer og molekyler. Holdet fokuserede på to specifikke systemer:opløsningen af ​​lithiumioner (Li+) og samspillet mellem vandmolekyler og en lithium-ilt (Li-O) overflade.

I tilfælde af Li+-opløsning afslørede DFT-beregningerne, at vandmolekyler danner en højordnet hydreringsskal omkring lithium-ionen. Denne ordnede struktur er resultatet af de stærke elektrostatiske interaktioner mellem den positivt ladede lithiumion og de negativt ladede oxygenatomer i vandmolekyler. Hydratiseringsskallen beskytter effektivt lithiumionen mod at interagere med andre ioner eller molekyler i opløsningen, hvilket er afgørende for at stabilisere ionen og lette dens transport i elektrokemiske reaktioner.

Desuden undersøgte forskerne samspillet mellem vandmolekyler og en Li-O-overflade, som repræsenterer elektrodeoverfladen i et lithium-ion-batteri. DFT-beregningerne viste, at vandmolekyler danner stærke hydrogenbindinger med iltatomerne på overfladen, hvilket skaber et vandnetværk, der effektivt blokerer for migrationen af ​​lithiumioner fra elektroden. Denne blokerende effekt er ansvarlig for passiveringen af ​​elektrodeoverfladen og reduktionen af ​​batteriets ydeevne over tid.

Samlet set giver den teoretiske ramme udviklet af forskerholdet en omfattende forståelse af vandmolekylers rolle i materialesyntese og fremstillingsprocesser, der involverer ioner. Resultaterne bidrager til det rationelle design og optimering af elektrokemiske reaktioner og batterisystemer, hvilket muliggør mere effektive og holdbare materialer og enheder.