Métodos para melhorar a purificação da água ou construir baterias melhores são problemas que desafiam os cientistas há décadas. Os avanços avançaram lentamente, mas a demanda crescente afasta cada vez mais a linha de chegada.

Ao mesmo tempo, as reações químicas que tornam essas melhorias possíveis ocorrem em escalas invisíveis a olho nu (a escala atômica), onde os líquidos e as superfícies sólidas se encontram, tornando o trabalho ainda mais difícil.

Saber como essas interações químicas ocorrem na interface sólido-líquido é fundamental em problemas de grande interesse para o Departamento de Energia (DOE), particularmente no que se refere a questões ambientais e de qualidade da água que podem ser afetadas por atividades de produção de energia em larga escala.

Agora, uma nova técnica desenvolvida por uma equipe que inclui o Prof. Neil Sturchio da Universidade de Delaware e colegas do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade de Illinois em Chicago produziu observações em tempo real que documentam as reações químicas que acontecem entre líquidos e sólidos.

A técnica fornece dados que podem ser usados ​​para melhorar as previsões de como os nutrientes e contaminantes se moverão nos sistemas naturais ou para avaliar a eficácia dos métodos de purificação da água onde a troca iônica é crítica para a higienização.

Também pode ajudar os cientistas a identificar fatores limitantes para supercapacitores - dispositivos de armazenamento de energia robustos que são frequentemente usados ​​em baterias comuns para alimentar produtos eletrônicos de consumo, veículos híbridos, até mesmo em grande escala industrial.

Troca de energia em reações químicas

Sturchio, um geoquímico, estudou interações mineral / água por 25 anos com financiamento do DOE. Ele e seus colaboradores demonstraram recentemente uma nova maneira de estudar a estrutura microscópica e os processos que ocorrem onde os minerais e a água se encontram, usando feixes de raios-X para desencadear as reações enquanto captura imagens de seus efeitos na superfície do mineral.

Agora usando um método chamado Resonant Anomalous X-Ray Reflectivity (RAXR), os pesquisadores são capazes de dar um passo adiante e distinguir a identidade do elemento em estudo.

"Com nossos métodos anteriores, pudemos ver o perfil de densidade de elétrons em escala atômica da região interfacial - uma zona de espessura nanométrica incluindo a superfície do mineral e a solução adjacente - mas não pudemos identificar com exclusividade as camadas atômicas, "disse Sturchio, professor e presidente do Departamento de Ciências Geológicas do College of Earth da UD, Oceano, e meio ambiente.

A técnica requer um cristal de alta qualidade, então os pesquisadores selecionaram a mica, um mineral semelhante em estrutura aos minerais de argila abundantes em solos que produz um cristal atomicamente plano útil em investigações de laboratório de propriedades interfaciais.

Os pesquisadores refletiram um intenso feixe de raios-X em uma amostra de mica em contato alternado com duas soluções de sal diferentes contendo rubídio e cloreto de sódio. Ao mudar o ângulo do feixe, os cientistas foram capazes de escanear o perfil interfacial em escala atômica. Ao alterar a energia do feixe em um ângulo fixo, eles poderiam isolar a distribuição de íons de rubídio na região interfacial.

"Nesse caso, podemos sintonizar e perguntar especificamente onde está o rubídio? Como ele se liga ao cristal de mica e como é liberado na solução? ”, Disse ele.

De acordo com Sturchio, a maioria das reações químicas nas águas subterrâneas e na atmosfera, bem como durante processos industriais, incluindo purificação de água e algumas formas de armazenamento de energia, acontecem em superfícies como eletrodos ou partículas. À medida que ocorre uma reação química, os íons são disparados ou puxados e a energia é trocada. Compreender quantitativamente como os íons são trocados nesta escala pode ser usado para projetar processos químicos para melhorar a purificação da água ou entender como os contaminantes são transportados no solo e nas águas subterrâneas.

Neste projeto, os pesquisadores queriam ver o que seria necessário para obter o rubídio, um metal alcalino, para liberar da superfície de mica, uma vez que foi anexado. Eles conseguiram isso mudando rapidamente a solução que flui sobre o cristal de mica de cloreto de rubídio para um cloreto de sódio mais concentrado, em seguida, cronometrou a reação para determinar quanto tempo levava para os íons de rubídio se liberarem (dessorverem) da mica e para os íons cloreto de sódio tomarem seu lugar (adsorverem).

Geralmente, As reações de adsorção ocorrem em milissegundos, mas aqui demorou 25 segundos para que o rubídio se liberasse da superfície (dessorção) e os íons de sódio tomassem seu lugar (adsorção).

Quanto mais próximo o rubídio estava da interface mineral / água, quanto mais fixa sua posição se tornava (por causa da energia eletrostática - o tipo que faz um balão grudar na parede depois que você o esfrega contra um suéter) e mais energia é necessária para retirá-lo da mica. Por outro lado, quanto mais moléculas de água entre a superfície do cristal e o íon de rubídio, quanto mais espaço de manobra o rubídio tinha em sua posição e menos energia era necessária para se separar. Os experimentos ajudaram a quantificar as quantidades mínimas de energia transferidas durante a troca de íons alcalinos nesta interface, e o envolvimento de moléculas de água no mecanismo de reação.

A reação foi mais lenta do que os pesquisadores previram, e embora mais estudos sejam necessários, eles concordam que os resultados fornecem evidências para a compreensão dos prazos necessários para que as reações desejadas ocorram.

Por contraste, quando as soluções voltaram, o rubídio é adsorvido na superfície da mica muito mais rapidamente do que é dessorvido, ao derramar suas moléculas de água ligadas, demonstrando que a hidratação é importante para a reação.

"Para projetar um processo industrial, você precisa saber exatamente o que está acontecendo na superfície, "Sturchio disse." Pelo que sabemos, esta é a primeira vez que alguém documenta informações tão detalhadas sobre como essas reações de troca iônica estão acontecendo em uma superfície mineral em contato com a água, e neste caso, temos boas evidências de quanto tempo realmente leva. "