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将水分子掺入层状材料中如何影响离子存储能力

弘克辰
导读 长期以来,研究已掺入粘土等层状材料的水分子结构与此类材料中离子的构型之间的相互作用已被证明是一个巨大的实验挑战。但研究人员现在已经...

长期以来,研究已掺入粘土等层状材料的水分子结构与此类材料中离子的构型之间的相互作用已被证明是一个巨大的实验挑战。但研究人员现在已经在其他地方使用了一种通常用于测量纳米水平极小质量和分子相互作用的技术,以首次观察这些相互作用。

他们的研究发表在Nature Communications上。

许多材料在微观或纳米尺度上呈分层形式。干燥时,粘土类似于一系列相互堆叠的薄片。然而,当这种层状材料遇到水时,水可以被限制并整合到层之间的间隙或孔中,或者更准确地说,是孔隙中。

当水分子或其组成元素,特别是氢氧根离子(结合单个氧原子和单个氢原子的带负电荷的离子)被整合到材料的晶体结构中时,也会发生这种“水合”。这种类型的材料,水合物,不一定是“湿的”,即使水现在是它的一部分。水合作用还可以显著改变原始材料的结构和性能。

在这种纳米限制中,水合结构 - 水分子或其组成元素如何排列自己 - 决定了原始材料储存离子(带正电或负电的原子或原子群)的能力。

这种水或电荷的储存意味着这种层状材料,从传统的粘土到层状金属氧化物 - 以及至关重要的是它们与水的相互作用 - 具有广泛的应用,从水净化到能量存储。

然而,研究这种水合结构与离子在这种层状材料的离子储存机理中的配置之间的相互作用已被证明是一个巨大的挑战。分析这些水合结构在这些离子的任何运动过程中如何变化(“离子传输”)的努力更加困难。

最近的研究表明,这种水结构和与层状材料的相互作用在赋予后者高离子存储能力方面起着重要作用,所有这些都取决于承载水的层的灵活性。在层之间的空间中,任何没有被离子填充的孔都会被水分子填充,有助于稳定层状结构。

“换句话说,水结构对层间离子的结构很敏感,”该研究的通讯作者,信州大学超材料研究计划的材料化学家Katsuya Teshima说。“虽然许多不同晶体结构中的这种离子配置控制着可以储存多少离子,但到目前为止,这种构型很少被系统地研究。

因此,Teshima的小组希望通过能量耗散监测(QCM-D)来协助他们的理论计算。QCM-D本质上是一种像天平秤一样工作的仪器,可以在纳米水平上测量极小的质量和分子相互作用。该技术还可以测量能量损失的微小变化。

研究人员使用QCM-D首次证明,可以通过实验观察到限制在层状材料纳米空间中的水分子结构的变化。

他们通过测量材料的“硬度”来做到这一点。他们研究了一类带负电荷的粘土的层状双氢氧化物(LDH)。他们发现,当发生任何离子交换反应时,水合结构与LDH的硬化有关(一种离子与不同类型的离子交换,但变化相同)。

“换句话说,离子相互作用的任何变化都源于离子被纳入纳米空间时发生的水合结构的变化,”东京大学现在研究的合作者Tomohito Sudare补充道。

此外,研究人员发现,水化结构高度依赖于层状材料的电荷密度(每单位体积的电荷量)。这反过来又在很大程度上决定了离子存储容量。

研究人员现在希望将这些测量方法与离子水合结构的知识相结合,设计出提高层状材料离子存储能力的新技术,从而可能为离子分离和可持续能量存储开辟新的途径。