En ny studie av forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign främjar grundläggande kunskap om rollen av solvatisering i jonbindning och presenterar en ny väg för elektrokemisk kontroll av jonselektivitet. Studien publicerades i JACS Au .
Teamet, som leds av professorn i kemi- och biomolekylärteknik Xiao Su och nyligen tog sin doktorsexamen. student Raylin Chen, bygger vidare på deras tidigare arbete med att utforska elektrokemiska separationer av joner, som har avslöjat att en kritisk mekanism för att binda joner är solvatisering.
Här satsade forskarna på att kontrollera solvatiseringen av en polymer och använda den för att binda olika joner specifikt för att göra det via en elektrokemisk process genom ett unikt tillvägagångssätt. För att åstadkomma det skapade de ett sampolymersystem innehållande N-isopropylakrylamid (NIPAM) – som tidigare har visat sig vara ett temperaturkänsligt material – och introducerade redoxaktiva enheter till det.
Eftersom sampolymeren har två enheter – en som är elektroaktiv och en som är den ursprungliga termokänsliga enheten – finns det nu två vägar tillgängliga för att kontrollera solvatisering.
"Genom att ställa in potential tvingar vi i princip NIPAM att ta vatten eller släppa ut vatten baserat på elektrokemi," sa Su. "Så istället för att göra en termisk övergång på NIPAM, gör vi en elektrokemisk övergång på NIPAM."
Sampolymeren gav gelfilmer, som blev deras plattform för solvatiseringskontrollerade jonseparationer. Forskarna kunde köra tester med in situ ellipsometri, en metod som de skapade som gör det möjligt för dem att observera tjockleken på filmen som sväller och sväller som svar på tillsats eller frisättning av vatten baserat på elektrokemi.
I samarbete med ett team vid Oak Ridge National Laboratory ledd av Jim Browning, Hanyu Wang och Mat Doucet använde de en avancerad teknik som kallas neutronreflektometri (NR).
"I grund och botten låter neutroner dig se saker som du normalt inte kan se med standardtekniker som röntgenstrålar," sa Su. "Neutroner är mycket känsliga för vatten, så neutroner kan berätta hur mycket vatten det finns i innehållet i ett material."
NR lät dem se solvatisering, eller hur mycket vatten som fördelas över filmen, och visade att under potential sväller filmen och tar in vatten. Su sa att forskarna kunde visa att med olika grader av vattenupptag kunde de kontrollera jonselektiviteten.
Eftersom deras arbete erbjuder ett system som kan aktiveras både av temperatur och av elektrokemisk potential, skapar det scenen för en materialplattform som kan användas i framtiden under olika hållbara scenarier – till exempel drivs av förnybar energi eller av spillvärme.
"Vårt arbete främjar området för elektrokemiska separationer för vattenbehandling och resursåtervinning genom att ge en mer djupgående förståelse för de molekylära mekanismerna," sa Su. "För att utveckla teknologier som är mer energieffektiva och selektiva är det viktigt att utöva mer exakt kontroll över jonbindningsmekanismer. Vi hoppas att vårt arbete bidrar till detta mål genom att klargöra vikten av lösning."
Mer information: 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
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
