Die übergroße Rolle von Nanoporen verstehen

In den winzigen Poren vieler natürlicher und künstlicher Materialien ist ein ganzes wässriges Universum verborgen. Untersuchungen der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis haben gezeigt, dass sich die Chemie in den winzigen Poren – den so genannten Nanoporen – beim Eintauchen solcher Materialien in eine Flüssigkeit entscheidend von der in der Bulk-Lösung unterscheiden kann.

Tatsächlich kann der pH-Wert in Lösungen mit höherem Salzgehalt in Nanoporen bis zu 100-mal saurer sein als in der Hauptlösung.

Die Forschungsergebnisse wurden am 22. August in der Zeitschrift veröffentlicht Chem.

Ein besseres Verständnis von Nanoporen kann wichtige Konsequenzen für eine Vielzahl technischer Prozesse haben. Denken Sie zum Beispiel an die Reinwassererzeugung durch Membranverfahren; Dekarbonisierungstechnologien für Energiesysteme, einschließlich Kohlenstoffabscheidung und -bindung; Wasserstofferzeugung und -speicherung; und Batterien.

Young-Shin Jun, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen, und Srikanth Singamaneni, Lilyan & E. Lisle Hughes Professor am Department of Mechanical Engineering & Materials Science, wollten verstehen, wie der pH-Wert ist – das Maß dafür, wie sauer oder basisch Eine Flüssigkeit ist in Nanoporen anders als die flüssige Lösung, in die sie eingetaucht sind.

„Der pH-Wert ist eine ‚Mastervariable‘ für die Wasserchemie“, sagte Jun. „Wenn es in der Praxis gemessen wird, messen die Leute wirklich den pH-Wert der Bulk-Lösung, nicht den pH-Wert in den Nanoporen des Materials.“

„Und wenn sie unterschiedlich sind, ist das eine große Sache, denn die Informationen über den kleinen winzigen Raum werden die gesamte Vorhersage im System ändern.“

Jun und ihr ehemaliger Ph.D. Der Student Yaguang Zhu arbeitete mit Singamaneni und seinem ehemaligen Ph.D. Schüler Hamed Gholami Derami. Singamaneni hatte plasmonische Nanopartikelsensoren entwickelt, die berichteten, wie sich der pH-Wert veränderte, während er sich durch ein biologisches System bewegte. Die Sensoren bestehen aus einem Gold-Nanopartikel, gepaart mit einem pH-empfindlichen Molekül – genau die Art von Sensor, die Jun verwenden könnte.

Wenn Licht auf die pH-Sondenmoleküle scheint, wird der pH-Wert ihrer unmittelbaren Umgebung durch kleine Änderungen ihrer Raman-Streuung angezeigt. Die normale Raman-Streuung bietet jedoch ein extrem schwaches Signal, wodurch es schwer zu erkennen ist. Dieser Effekt wird durch das Gold-Nanopartikel verstärkt, das als eine Art Antenne fungiert und den Raman-Streueffekt verstärkt.

Um den pH-Wert in Nanoporen zu messen, hüllte Singamaneni einen Nanosensor in eine Silicahülle mit Poren von nur drei Nanometern Durchmesser und legte ihn in flüssige Lösungen mit unterschiedlicher Chemie. Das Team verifizierte, dass die Sensoren nur chemische Informationen aus dem Inneren der Silica-Nanoporen, einschließlich des pH-Werts, lieferten und nicht durch die Bulk-Lösung kontaminiert wurden.

Und weil die Gold-Nanopartikel die Raman-Streuung von Molekülen nur in ihrer unmittelbaren Umgebung verstärken, können sie auch Informationen über Moleküle und Ionen innerhalb der Poren liefern.

„Es spielt keine Rolle, wie sich der pH-Wert außerhalb der Nanopore ändert“, sagte Singamaneni, „weil das Sondenmolekül das nicht wahrnimmt. Es spürt nur, was in der lokalen Umgebung passiert.“

Im Labor fanden die Forschungsteams heraus, dass Anionen (negativ geladene Ionen) bevorzugt in Nanoporen transportiert werden, wodurch ein niedrigerer pH-Wert in den Nanoporen als in der Bulk-Lösung induziert wird.

Je höher der Salzgehalt der Lösung, desto größer der Unterschied (bis zu 100-mal saurer!). In der realen Welt könnte dies für Solen aus Entsalzungsanlagen, Öl- und Gasgewinnung oder geologische Kohlenstoffbindung relevant sein. Viele technische Materialien nutzen auch einzigartige Nanoporenräume, um eine höhere Reaktivität in Prozessen zu erreichen.

Dieser Befund kann dazu beitragen, langjährige Rätsel in technischen Prozessen zu erklären, bei denen die Ergebnisse dazu neigen, nicht mit den vorhergesagten Ergebnissen übereinzustimmen.

„Das gibt uns Vorhersagekraft“, sagte Jun. „Früher haben wir nur Informationen aus den Bulk-Systemen verwendet. Wir dachten, die an der Bulk-Lösung und der Lösung in Nanoporen beteiligten Chemien seien gleich, aber wir fanden heraus, dass die Nanoporen ein einzigartiges wässriges Universum schaffen, das wichtige Reaktionen beherbergen kann, die dies nicht können passieren in Massenlösung.“