Nella nuova ricerca pubblicata su JACS AU, i ricercatori dell’Università Urbana-Champaign dell’Illinois analizzano gli effetti della solubilità e della valenza ionica sui polimeri metallici, con implicazioni per importanti recupero, riciclaggio e risanamento ambientale dei materiali.
Professore di Ingegneria Chimica e Biomolecolare (ChBE). Xiao Su Ha condotto una ricerca che ha esplorato la scienza dietro le “preferenze” selettive degli anioni monovalenti e bivalenti verso i polimeri redox. In altre parole, perché, quando gli elettrodi sono rivestiti con pellicole polimeriche redox e viene applicato un potenziale, uno ione preferisce il polimero redox mentre l'altro no?
“L'idea è semplice”, ha detto Su. “Quando applichi la tensione, leghi lo ione e quindi vuoi avere una superficie che ti dia selettività verso lo ione desiderato. E poi, applicando la tensione opposta, puoi rigenerarlo. Quindi, hai una superficie che è completamente guidato elettrochimicamente.”, Un modo ecologico per separare gli ioni. “L'essenza di questo processo è capire perché gli ioni preferiscono l'elettrodo in un certo modo.”
Il team ha ipotizzato che la soluzione svolga un ruolo nel determinare la selettività. Lavorando con Jim Browning, Hanyu Wang e Matt Doucet presso l’Oak Ridge National Laboratory, il team ha utilizzato la riflettometria neutronica (NR) per monitorare il rigonfiamento dei film nonché la quantità e la distribuzione dell’acqua che entra nel polimero quando viene applicato il potenziale. In questo caso, hanno utilizzato due film sottili di copolimeri metallici redox-attivi con diverse proprietà idrofile/idrofobiche – poli(vinilferrocene) (PVFc) e poli(3-ferrocenilpropilmetacrilammide) (PFPMAm) – e hanno mirato alla separazione del renio dal molibdeno.
Una serie di passaggi di potenziale di riduzione/ossidazione sono stati applicati ai film PVFc e PFPMAm in una soluzione contenente renio e in una soluzione simile contenente molibdeno – potenziali applicati sufficienti a ridurre o ossidare i film, rispettivamente. Hanno monitorato il rigonfiamento utilizzando NR ed ellissometria spettroscopica (SE) e hanno utilizzato una microbilancia elettrochimica a cristalli di quarzo (EQCM) per monitorare la variazione netta di massa all'interfaccia. I collaboratori del Pacific Northwest National Laboratory, Manh Nguyen e Vanda Glizako, hanno eseguito calcoli di dinamica molecolare elementare (AIMD), un potente strumento che simula la fisica che si verifica su un elettrodo.
NR, SE ed EQCM sono stati utilizzati in situ, offrendo ai ricercatori un'opportunità unica di ottenere un quadro molecolare dei comportamenti più chiaro che mai.
“I neutroni sono stati fondamentali per monitorare il movimento dell'acqua nei polimeri in condizioni di lavoro reali”, ha affermato Ricardo Candejo, Ph.D., ChBE. Lo studente che è il primo autore dell'articolo. “Utilizzando molteplici tecniche in situ e simulazioni, abbiamo ottenuto un quadro completo del nostro sistema.”
La loro analisi ha mostrato che i film di PVFc e PFPMAm si rigonfiano in presenza di renio, un anione monovalente, ma non di molibdeno, un anione bivalente.
“Abbiamo scoperto che i solventi svolgono effettivamente un ruolo: il PVFc, il polimero più idrofobo, preferisce l'anione meno solvente, in questo caso il renio”, ha detto Su. “E gli anioni bivalenti, quando entrano, tendono effettivamente a reticolare elettricamente la membrana in modo che non sia rinnovabile. Fondamentalmente, questi film sono molto bravi a catturare questi ioni a carica singola.”
Su ha affermato che le loro scoperte guideranno lo sviluppo di sistemi migliori che coinvolgono la separazione ionica come il riciclaggio dei materiali e il recupero dei metalli. Ad esempio, il renio è un metallo prezioso utilizzato come catalizzatore e un isotopo del tecnezio, un elemento radioattivo difficile da separare dalle scorie nucleari, rendendo la cattura del renio di grande importanza per il riciclaggio strategico dei metalli. Ma questi metodi avanzati di caratterizzazione possono essere utilizzati anche per classi più ampie di polimeri, non solo per quelli minerali, il che significa sistemi migliori per processi come il trattamento delle acque e il risanamento ambientale.
“Questa comprensione è stata possibile solo utilizzando questi strumenti e può darci molta conoscenza”, ha detto Su. “Quindi, quando progettiamo sistemi in grado di catturare ioni con cariche diverse così come ioni con diverse proprietà di solubilità, ciò può aiutarci a stabilire alcuni principi di progettazione. Nel complesso, è uno studio molto elementare, ma è uno studio che ha applicazioni pratiche fino in fondo. lungo la linea.”
Questo lavoro è stato finanziato dall'Ufficio per le scienze energetiche di base del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, nell'ambito del Programma di Separazione.
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