Nova studija istraživača sa Univerziteta Ilinois Urbana-Champaign unapređuje fundamentalna znanja o ulozi solvatacije u vezivanju jona i predstavlja novi put za elektrohemijsku kontrolu selektivnosti jona. Studija je objavljena u JACS Au.
Tim, predvođen profesorom hemijskog i biomolekularnog inženjerstva Ksiao Su i nedavno diplomiranim doktorom nauka. student Railin Chen, gradi na svom prethodnom radu koji istražuje elektrohemijsko razdvajanje jona, što je otkrilo da je kritični mehanizam za vezivanje jona solvatacija.
Ovde su istraživači postavili da kontrolišu rastvorljivost polimera i da to koriste za vezivanje različitih jona posebno da to urade putem elektrohemijskog procesa kroz jedinstven pristup. Da bi to postigli, stvorili su kopolimerni sistem koji sadrži N-izopropil akrilamid (NIPAM) – za koji se ranije pokazalo da je materijal koji reaguje na temperaturu – i u njega uveli redoks aktivne jedinice.
Pošto kopolimer ima dve jedinice – jednu koja je elektroaktivna i jednu koja je originalna termo-reaktivna jedinica – sada su dostupna dva puta za kontrolu rastvorljivosti.
„Podešavanjem potencijala, mi u osnovi prisiljavamo NIPAM da uzima vodu ili oslobađa vodu na osnovu elektrohemije“, rekao je Su. „Dakle, umesto da vršimo termičku tranziciju na NIPAM-u, mi radimo elektrohemijsku tranziciju na NIPAM-u.
Kopolimer je dao gel filmove, koji su postali njihova platforma za odvajanje jona kontrolisano solvatacijom. Istraživači su bili u mogućnosti da sprovedu testove koristeći in situ elipsometriju, metodu koju su kreirali koja im omogućava da posmatraju debljinu filma koji bubri i otekne kao odgovor na dodavanje ili oslobađanje vode na osnovu elektrohemije.
U saradnji sa timom u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž koji su predvodili Jim Brovning, Haniu Vang i Mat Doucet, koristili su naprednu tehniku zvanu neutronska reflektometrija (NR).
„U suštini, neutroni vam omogućavaju da vidite stvari koje inače ne možete da vidite koristeći standardne tehnike poput rendgenskih zraka“, rekao je Su. „Neutroni su veoma osetljivi na vodu, tako da vam neutroni mogu reći koliko vode ima u sadržaju materijala.“
NR im je omogućio da vide solvataciju, ili koliko je vode raspoređeno po filmu, i pokazao da pod potencijalom film bubri i uzima vodu. Su je rekao da su istraživači uspeli da pokažu da sa različitim stepenom uzimanja vode mogu da kontrolišu selektivnost jona.
Pošto njihov rad nudi sistem koji se može aktivirati i temperaturom i elektrohemijskim potencijalom, postavlja scenu za platformu materijala koja se može koristiti u budućnosti pod različitim održivim scenarijima – na primer, napajana obnovljivom energijom ili otpadnom toplotom.
„Naš rad unapređuje oblast elektrohemijskog odvajanja za tretman vode i oporavak resursa pružajući dublje razumevanje molekularnih mehanizama“, rekao je Su. „Da bi se razvile tehnologije koje su energetski efikasnije i selektivnije, važno je izvršiti precizniju kontrolu nad mehanizmima vezivanja jona. Nadamo se da će naš rad doprineti ovom cilju razjašnjavajući važnost rastvorljivosti.“
