Capa ácida en una sola

Los investigadores demuestran que el proceso de nanoconfinamiento de aniones se ve reforzado por una capa de adsorción ácida en nanotubos de carbono.

Universidad de Okayama

Imagen: La capa adsorbida ácida mejora el nanoconfinamiento de las impurezas del anión nitrato en nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) debido al fuerte confinamiento por el poro y la fuerte interacción entre la capa y el anión. Cuando los iones nitrato se adsorben, los iones hidróxido se desorben del nanoespacio. Por tanto, la solución acuosa presenta propiedades alcalinas.ver más

Crédito: Takahiro Ohkubo del Departamento de Química de la Universidad de Okayama, Escuela de Graduados en Ciencias Naturales y Tecnología, Universidad de Okayama

Los procesos de purificación eficientes que separan las impurezas del aire y el agua son necesarios para sustentar la vida en la Tierra. Con este fin, los materiales de carbono se han utilizado durante mucho tiempo para desodorizar, separar y eliminar impurezas aniónicas nocivas mediante adsorción. Hasta ahora, el mecanismo detallado por el cual el carbono purifica el agua sigue siendo un misterio. Además, no se sabe si la solución acuosa adsorbida sobre el material de carbono es ácida, alcalina o neutra. Para abordar estas lagunas, investigadores dirigidos por el Dr. Takahiro Ohkubo, profesor asociado del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Naturales y Tecnología de la Universidad de Okayama (Japón), investigaron el mecanismo fundamental mediante el cual los nanoporos de carbono absorben los aniones.

En un artículo reciente disponible en línea el 16 de septiembre de 2022 y publicado en el volumen 629 Parte B del Journal of Colloid and Interface Science, los investigadores informan que emplean herramientas espectroscópicas Raman para examinar la adsorción de iones nitrato por el poro cilíndrico de carbono de pared simple. nanotubos (SWCNT). El Dr. Ohkubo y sus colegas lograron descifrar el mecanismo de formación de capas ácidas cerca de las paredes de los poros. Resulta que, cuando una solución acuosa que contiene iones penetra en el material de carbono, incluso si la solución acuosa es neutra, se forma una capa acuosa ácida que contiene protones que mantiene un estado estable. Al comentar sobre la novedad y la naturaleza fundamental de su trabajo, el Dr. Ohkubo afirma: "Hasta la fecha, no ha habido informes que demuestren la existencia de capas de adsorción ácida formadas dentro de nanotubos de materiales de carbono".

El equipo de investigación, que también incluyó al Dr. Nobuyuki Takeyasu, profesor asociado de la misma facultad en la Universidad de Okayama, descubrió que la capa ácida facilita la adsorción eficiente de las impurezas del anión nitrato con carga negativa, donde la cantidad adsorbida de iones nitrato es mucho mayor que esa. de los cationes o de los grupos cargados positivamente. Además, se generan iones de hidróxido como contraiones. Los aniones presentes en la solución a granel se intercambian con los iones de hidróxido en el SWCNT, haciendo que la solución acuosa sea alcalina. El equipo examinó la adsorción de aniones utilizando varios nitratos de metales alcalinos, incluidas soluciones de nitrato de litio, nitrato de sodio, nitrato de rubidio y nitrato de cesio. Descubrieron que se adsorben más iones de nitrato que iones metálicos. La cantidad de adsorción de protones fue casi la misma independientemente del tipo de ion de metal alcalino utilizado. El Dr. Ohkubo observa: "La capa ácida del poro puede adsorber fuertemente las especies de aniones nitrato debido tanto al fuerte confinamiento por parte del poro como a la fuerte interacción entre la capa y el anión".

De hecho, los hallazgos son pasos importantes hacia el diseño y desarrollo de nanotubos de carbono adecuados para la adsorción de iones y la purificación de agua y aire. El mecanismo de purificación expuesto en esta investigación es un modelo novedoso que explica la alcalinidad del medio de solución acuosa, que hasta ahora ha sido un misterio. Los investigadores observan que los hallazgos de su estudio apuntan fuertemente a la necesidad de neutralizar el agua antes de su uso cuando las impurezas iónicas quedan atrapadas en materiales de carbono. Otra contribución notable de este estudio es la demostración de que la interfaz de nanomateriales es un campo de reacción química novedoso, que podría guiar futuros experimentos. En conjunto, este trabajo lleva nuestra comprensión del mecanismo de adsorción de aniones por el carbono al siguiente nivel, dando paso a nuevos nanotubos de carbono como purificadores eficientes.

Acerca de la Universidad de Okayama, Japón

Como una de las universidades líderes de Japón, la Universidad de Okayama tiene como objetivo crear y establecer un nuevo paradigma para el desarrollo sostenible del mundo. La Universidad de Okayama ofrece una amplia gama de campos académicos, que se convierten en la base de las escuelas de posgrado integradas. Esto no sólo nos permite realizar las investigaciones más avanzadas y actualizadas, sino que también proporciona una experiencia educativa enriquecedora.

Sitio web: https://www.okayama-u.ac.jp/index_e.html

Acerca del profesor asociado Takahiro Ohkubo de la Universidad de Okayama, Japón

El Dr. Takahiro Ohkubo es profesor asociado en el Departamento de Química de la Escuela de Graduados en Ciencias Naturales y Tecnología de la Universidad de Okayama. Participa en investigaciones activas sobre temas que incluyen la estructura y propiedades de sistemas nanoconfinados, nanoestructuras (racimos y partículas pequeñas), materiales porosos, ciencia de superficies y materiales a base de carbono. El Dr. Ohkubo ha ganado varios premios en su carrera académica, incluido el 'Premio a la mejor contribución en educación, Facultad de Ciencias, Universidad de Okayama' (2017) y el 'Premio al joven investigador 2012 de la División de Química de Interfase y Coloides de la Sociedad Química de Japón (2012)'. . Es autor de más de 100 artículos que han contribuido significativamente a su campo de investigación.

Revista de ciencia de interfases y coloides

10.1016/j.jcis.2022.09.070

Estudio experimental

No aplica

Nanoconfinamiento de aniones mejorado con capa ácida en poros cilíndricos de nanotubos de carbono de pared simple

16-septiembre-2022

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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