A água desempenha um papel crucial em vários processos de síntese e fabricação de materiais, incluindo reações eletroquímicas e operações com baterias. No entanto, o mecanismo detalhado de como as moléculas de água interagem com os íons e influenciam sua separação ainda não é totalmente compreendido. Um novo quadro teórico, desenvolvido por investigadores da Universidade de Warwick, oferece uma compreensão abrangente do papel da água nestes processos.

A equipe de pesquisa empregou cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) para investigar o comportamento das moléculas de água na presença de íons. DFT é uma ferramenta poderosa para simular a estrutura eletrônica de materiais e moléculas. A equipe se concentrou em dois sistemas específicos:a solvatação de íons de lítio (Li+) e a interação de moléculas de água com uma superfície de lítio-oxigênio (Li-O).

No caso da solvatação do Li+, os cálculos da DFT revelaram que as moléculas de água formam uma camada de hidratação altamente ordenada em torno do íon de lítio. Esta estrutura ordenada resulta das fortes interações eletrostáticas entre o íon de lítio carregado positivamente e os átomos de oxigênio carregados negativamente das moléculas de água. O invólucro de hidratação protege efetivamente o íon de lítio da interação com outros íons ou moléculas na solução, o que é crucial para estabilizar o íon e facilitar seu transporte em reações eletroquímicas.

Além disso, os pesquisadores investigaram a interação das moléculas de água com uma superfície de Li-O, que representa a superfície do eletrodo em uma bateria de íons de lítio. Os cálculos da DFT mostraram que as moléculas de água formam fortes ligações de hidrogênio com os átomos de oxigênio na superfície, criando uma rede de água que bloqueia efetivamente a migração de íons de lítio do eletrodo. Este efeito de bloqueio é responsável pela passivação da superfície do eletrodo e pela redução do desempenho da bateria ao longo do tempo.

No geral, o quadro teórico desenvolvido pela equipe de pesquisa fornece uma compreensão abrangente do papel das moléculas de água na síntese de materiais e nos processos de fabricação envolvendo íons. As descobertas contribuem para o projeto racional e otimização de reações eletroquímicas e sistemas de baterias, permitindo materiais e dispositivos mais eficientes e duráveis.