Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign avança no conhecimento fundamental sobre o papel da solvatação na ligação de íons e apresenta um novo caminho para controlar eletroquimicamente a seletividade de íons. O estudo foi publicado em JACS Au .



A equipe, liderada pelo professor de Engenharia Química e Biomolecular Xiao Su e recém-formado Ph.D. o estudante Raylin Chen está desenvolvendo seu trabalho anterior explorando separações eletroquímicas de íons, que revelou que um mecanismo crítico para a ligação de íons é a solvatação.

Aqui, os pesquisadores decidiram controlar a solvatação de um polímero e usá-la para ligar diferentes íons especificamente para fazer isso por meio de um processo eletroquímico por meio de uma abordagem única. Para conseguir isso, eles criaram um sistema de copolímero contendo N-isopropil acrilamida (NIPAM) – que já foi demonstrado ser um material responsivo à temperatura – e introduziram unidades redox ativas nele.

Como o copolímero tem duas unidades – uma que é eletroativa e outra que é a unidade termicamente responsiva original – existem agora dois caminhos disponíveis para controlar a solvatação.

“Ao ajustar o potencial, basicamente forçamos o NIPAM a retirar água ou liberar água com base na eletroquímica”, disse Su. “Então, em vez de fazer uma transição térmica no NIPAM, estamos fazendo uma transição eletroquímica no NIPAM”.

O copolímero rendeu filmes de gel, que se tornaram sua plataforma para separações de íons controladas por solvatação. Os pesquisadores conseguiram realizar testes usando elipsometria in situ, um método que eles criaram que permite observar a espessura do inchaço e do inchaço do filme em resposta à adição ou liberação de água com base na eletroquímica.

Colaborando com uma equipe do Laboratório Nacional de Oak Ridge liderada por Jim Browning, Hanyu Wang e Mat Doucet, eles empregaram uma técnica avançada chamada reflectometria de nêutrons (NR).

“Basicamente, os nêutrons permitem que você veja coisas que normalmente não consegue ver usando técnicas padrão como os raios X”, disse Su. "Os nêutrons são muito sensíveis à água, então os nêutrons podem dizer quanta água existe no conteúdo de um material."

A NR permitiu que eles vissem a solvatação, ou quanta água está distribuída no filme, e mostrou que sob potencial, o filme incha e absorve água. Su disse que os pesquisadores conseguiram demonstrar que, com diferentes graus de absorção de água, eles poderiam controlar a seletividade iônica.

Dado que o seu trabalho oferece um sistema que pode ser ativado tanto pela temperatura como pelo potencial eletroquímico, prepara o terreno para uma plataforma de materiais que pode ser utilizada no futuro em diferentes cenários sustentáveis ​​– por exemplo, alimentada por energia renovável ou por calor residual.

“Nosso trabalho avança na área de separações eletroquímicas para tratamento de água e recuperação de recursos, fornecendo uma compreensão mais aprofundada dos mecanismos moleculares”, disse Su. "Para desenvolver tecnologias que sejam mais eficientes e seletivas em termos energéticos, é importante exercer um controle mais preciso sobre os mecanismos de ligação de íons. Esperamos que nosso trabalho contribua para esse objetivo, elucidando a importância da solvatação."

Mais informações: Raylin Chen et al, Copolímeros redox termo-eletro-responsivos para solvatação amplificada, controle morfológico e interações de íons ajustáveis, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00486
Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois