A incorporação de moléculas de água em materiais em camadas afeta a capacidade de armazenamento de íons

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Os pesquisadores detectaram experimentalmente a mudança estrutural da água de hidratação confinada nos minúsculos poros em nanoescala de materiais em camadas, como argilas. Suas descobertas potencialmente abrem as portas para novas opções de separação de íons e armazenamento de energia.

Investigar a interação entre a estrutura das moléculas de água que foram incorporadas em materiais em camadas, como argilas, e a configuração de íons nesses materiais provou ser um grande desafio experimental. Mas os pesquisadores agora usaram uma técnica em outros lugares comumente usada para medir massas extremamente pequenas e interações moleculares no nível nano para observar essas interações pela primeira vez.

Sua pesquisa foi publicada em Natureza Comunicações em 28 de outubro de 2022.

Muitos materiais assumem uma forma de camadas em escala microscópica ou nano. Quando secas, as argilas, por exemplo, assemelham-se a uma série de folhas empilhadas umas sobre as outras. No entanto, quando esses materiais em camadas encontram água, essa água pode ser confinada e integrada nas lacunas ou buracos – ou, mais precisamente, nos “poros” – entre as camadas.

Essa ‘hidratação’ também pode ocorrer quando as moléculas de água ou seus elementos constituintes, principalmente um íon hidróxido (um íon carregado negativamente combinando um único átomo de oxigênio e um único átomo de hidrogênio) são integrados à estrutura cristalina do material. Esse tipo de material, um ‘hidrato’, não é necessariamente ‘molhado’, embora a água agora faça parte dele. A hidratação também pode alterar substancialmente a estrutura e as propriedades do material original.

Neste ‘nanoconfinamento’, as estruturas de hidratação – como as moléculas de água ou seus elementos constituintes se organizam – determinam a capacidade do material original de armazenar íons (átomos ou grupos de átomos com carga positiva ou negativa).

Esse armazenamento de água ou carga significa que tais materiais em camadas, de argilas convencionais a óxidos metálicos em camadas – e, crucialmente, suas interações com a água – têm aplicações generalizadas, desde a purificação de água até o armazenamento de energia.

No entanto, estudar a interação entre essa estrutura de hidratação e a configuração dos íons no mecanismo de armazenamento de íons desses materiais em camadas tem se mostrado um grande desafio. E os esforços para analisar como essas estruturas de hidratação mudam ao longo de qualquer movimento desses íons (‘transporte de íons’) são ainda mais difíceis.

Pesquisas recentes mostraram que tais estruturas de água e interações com os materiais em camadas desempenham um papel importante em dar a estes últimos suas altas capacidades de armazenamento de íons, tudo o que, por sua vez, depende de quão flexíveis são as camadas que hospedam a água. No espaço entre as camadas, todos os poros que não são preenchidos com íons são preenchidos com moléculas de água, ajudando a estabilizar a estrutura em camadas.

“Em outras palavras, as estruturas da água são sensíveis à forma como os íons intercamadas são estruturados”, disse Katsuya Teshima, autor correspondente do estudo e químico de materiais da Research Initiative for Supra-Materials da Universidade de Shinshu. “E enquanto esta configuração de íons em muitas estruturas cristalinas diferentes controla quantos íons podem ser armazenados, tais configurações até agora raramente tinham sido sistematicamente investigadas.”

Assim, o grupo de Teshima procurou a ‘microbalança de cristal de quartzo com monitoramento de dissipação de energia’ (QCM-D) para auxiliar em seus cálculos teóricos. O QCM-D é essencialmente um instrumento que funciona como uma balança que pode medir massas extremamente pequenas e interações moleculares no nível nano. A técnica também pode medir pequenas mudanças na perda de energia.

Os pesquisadores usaram o QCM-D para demonstrar pela primeira vez que a mudança na estrutura das moléculas de água confinadas no nanoespaço de materiais em camadas pode ser observada experimentalmente.

Eles fizeram isso medindo a “dureza” dos materiais. Eles investigaram os hidróxidos duplos em camadas (LDHs) de uma classe de argila carregada negativamente. Eles descobriram que as estruturas de hidratação estavam associadas ao endurecimento dos LDHs quando ocorre qualquer reação de troca iônica (troca de um tipo de íon por outro tipo de íon, mas com a mesma alteração).

“Em outras palavras, qualquer mudança na interação iônica se origina com a mudança na estrutura de hidratação que ocorre quando os íons são incorporados ao nanoespaço”, acrescentou Tomohito Sudare, colaborador do estudo agora na Universidade de Tóquio.

Além disso, os pesquisadores descobriram que a estrutura de hidratação é altamente dependente da densidade de carga (a quantidade de carga por unidade de volume) do material em camadas. Isso, por sua vez, é basicamente o que governa a capacidade de armazenamento de íons.

Os pesquisadores agora esperam aplicar esses métodos de medição juntamente com o conhecimento da estrutura de hidratação dos íons para desenvolver novas técnicas para melhorar a capacidade de armazenamento de íons de materiais em camadas, potencialmente abrindo novos caminhos para a separação de íons e armazenamento de energia sustentável.

Com informações de Science Daily.

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