Wie sich der Einbau von Wassermolekülen in geschichtete Materialien auf die Ionenspeicherfähigkeit auswirkt

Die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen der Struktur von Wassermolekülen, die in geschichtete Materialien wie Ton eingebaut wurden, und der Konfiguration von Ionen in solchen Materialien hat sich seit langem als große experimentelle Herausforderung erwiesen. Aber Forscher haben jetzt eine Technik verwendet, die anderswo üblicherweise verwendet wird, um extrem kleine Massen und molekulare Wechselwirkungen auf Nanoebene zu messen, um diese Wechselwirkungen zum ersten Mal zu beobachten.

Ihre Forschung wurde in veröffentlicht Naturkommunikation.

Viele Materialien nehmen eine geschichtete Form im mikroskopischen oder nanoskaligen Bereich an. Im trockenen Zustand ähneln Tone einer Reihe von übereinander gestapelten Blättern. Wenn solche geschichteten Materialien jedoch auf Wasser treffen, kann dieses Wasser eingeschlossen und in die Lücken oder Löcher – oder genauer gesagt die Poren – zwischen den Schichten integriert werden.

Eine solche „Hydratation“ kann auch auftreten, wenn Wassermoleküle oder ihre Bestandteile, insbesondere ein Hydroxidion (ein negativ geladenes Ion, das ein einzelnes Sauerstoff- und ein einzelnes Wasserstoffatom kombiniert), in die kristalline Struktur des Materials integriert werden. Diese Art von Material, ein Hydrat, ist nicht unbedingt „nass“, obwohl Wasser jetzt ein Teil davon ist. Die Hydratation kann auch die Struktur und die Eigenschaften des ursprünglichen Materials wesentlich verändern.

In diesem Nanoconfinement bestimmen die Hydratationsstrukturen – wie sich Wassermoleküle oder ihre Bestandteile anordnen – die Fähigkeit des Ausgangsmaterials, Ionen (positiv oder negativ geladene Atome oder Atomgruppen) zu speichern.

Diese Speicherung von Wasser oder Ladung bedeutet, dass solche geschichteten Materialien, von herkömmlichem Ton bis zu geschichteten Metalloxiden – und, was entscheidend ist, ihre Wechselwirkungen mit Wasser – weit verbreitete Anwendungen haben, von der Wasserreinigung bis zur Energiespeicherung.

Die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen dieser Hydratationsstruktur und der Konfiguration von Ionen im Ionenspeichermechanismus solcher Schichtmaterialien hat sich jedoch als große Herausforderung erwiesen. Noch schwieriger ist es, zu analysieren, wie sich diese Hydratationsstrukturen im Laufe einer Bewegung dieser Ionen verändern („Ionentransport“).

Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass solche Wasserstrukturen und Wechselwirkungen mit den Schichtmaterialien eine wichtige Rolle dabei spielen, letzteren ihre hohe Ionenspeicherkapazität zu verleihen, was wiederum davon abhängt, wie flexibel die Schichten sind, die das Wasser beherbergen. Im Schichtzwischenraum werden Poren, die nicht mit Ionen gefüllt sind, stattdessen mit Wassermolekülen gefüllt, was zur Stabilisierung der Schichtstruktur beiträgt.

„Anders ausgedrückt, die Wasserstrukturen reagieren empfindlich auf die Struktur der Zwischenschichtionen“, sagte Katsuya Teshima, korrespondierender Autor der Studie und Materialchemiker bei der Forschungsinitiative für Supra-Materialien an der Shinshu-Universität. „Und während diese Ionenkonfiguration in vielen verschiedenen Kristallstrukturen steuert, wie viele Ionen gespeichert werden können, wurden solche Konfigurationen bisher selten systematisch untersucht.“

Daher suchte Teshimas Gruppe nach einer Quarzkristall-Mikrowaage mit Energiedissipationsüberwachung (QCM-D), um ihre theoretischen Berechnungen zu unterstützen. QCM-D ist im Wesentlichen ein Instrument, das wie eine Waage funktioniert und extrem kleine Massen und molekulare Wechselwirkungen auf Nanoebene messen kann. Die Technik kann auch winzige Änderungen des Energieverlusts messen.

Die Forscher nutzten QCM-D, um erstmals zu demonstrieren, dass die Veränderung der Struktur von Wassermolekülen, die im Nanoraum von Schichtmaterialien eingeschlossen sind, experimentell beobachtet werden kann.

Sie taten dies, indem sie die „Härte“ der Materialien maßen. Sie untersuchten die geschichteten Doppelhydroxide (LDHs) einer Klasse von negativ geladenem Ton. Sie fanden heraus, dass die Hydratationsstrukturen mit der Verhärtung der LDHs verbunden sind, wenn eine Ionenaustauschreaktion stattfindet (ein Austausch einer Art von Ionen mit einer anderen Art von Ionen, aber mit der gleichen Änderung).

„Mit anderen Worten, jede Änderung der Ionenwechselwirkung hat ihren Ursprung in der Änderung der Hydratationsstruktur, die auftritt, wenn Ionen in den Nanoraum eingebaut werden“, fügte Tomohito Sudare hinzu, ein Mitarbeiter der Studie, der jetzt an der Universität Tokio arbeitet.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die Hydratationsstruktur stark von der Ladungsdichte (Ladungsmenge pro Volumeneinheit) des Schichtmaterials abhängt. Dies wiederum bestimmt maßgeblich die Ionenspeicherkapazität.

Die Forscher hoffen nun, diese Messmethoden zusammen mit dem Wissen über die Hydratationsstruktur von Ionen anzuwenden, um neue Techniken zur Verbesserung der Ionenspeicherfähigkeit von Schichtmaterialien zu entwickeln und möglicherweise neue Wege für die Ionentrennung und nachhaltige Energiespeicherung zu eröffnen.