将水分子结合到层状材料中会影响离子存储能力

长期以来，研究粘土等层状材料中的水分子结构与此类材料中离子构型之间的相互作用一直是一项巨大的实验挑战。但是研究人员现在已经使用其他地方通常用于测量纳米级极小质量和分子相互作用的技术来首次观察这些相互作用。

他们的研究于2022 年 10 月 28 日发表在Nature Communications上。

许多材料在微观或纳米尺度上呈层状。干燥时，粘土类似于一系列相互堆叠的薄片。然而，当这种层状材料遇到水时，水会被限制并整合到层与层之间的间隙或孔洞中，或者更准确地说，是“孔隙”。

当水分子或其构成元素，特别是氢氧根离子(结合单个氧和单个氢原子的带负电的离子)被整合到材料的晶体结构中时，也会发生这种“水合作用”。这种类型的材料，一种“水合物”，不一定是“湿的”，即使水现在是其中的一部分。水合作用还可以显着改变原始材料的结构和特性。

在这种“纳米限制”中，水合结构——水分子或其组成元素如何自行排列——决定了原始材料储存离子(带正电或带负电的原子或原子团)的能力。

这种水或电荷的储存意味着这种层状材料，从传统的粘土到层状金属氧化物——以及至关重要的是，它们与水的相互作用——具有从水净化到能量储存的广泛应用。

然而，研究这种水化结构与离子构型在这种层状材料的离子存储机制中的相互作用已被证明是一个巨大的挑战。分析这些水合结构如何在这些离子的任何运动(“离子传输”)过程中发生变化的努力更加困难。

最近的研究表明，这种水结构和与层状材料的相互作用在赋予后者高离子存储能力方面发挥着重要作用，而所有这些又取决于容纳水的层的柔韧性。在层与层之间的空间中，任何未充满离子的孔隙都会充满水分子，从而有助于稳定层状结构。

“换句话说，水结构对层间离子的结构很敏感，”该研究的通讯作者、信州大学超材料研究计划的材料化学家 Katsuya Teshima 说。“虽然许多不同晶体结构中的这种离子配置控制着可以存储多少离子，但到目前为止，这种配置很少被系统地研究过。”

因此，Teshima 的团队寻求“带能量耗散监测的石英晶体微天平”(QCM-D) 来协助他们进行理论计算。QCM-D本质上是一种像天平一样工作的仪器，可以在纳米水平上测量极微小的质量和分子相互作用。该技术还可以测量能量损失的微小变化。

研究人员使用QCM-D首次证明了可以通过实验观察到限制在层状材料纳米空间中的水分子结构的变化。

他们通过测量材料的“硬度”来做到这一点。他们研究了一类带负电荷的粘土的层状双氢氧化物 (LDH)。他们发现，当发生任何离子交换反应(一种离子与不同类型的离子交换但具有相同的变化)时，水合结构与 LDH 的硬化有关。

“换句话说，离子相互作用的任何变化都源于离子结合到纳米空间时发生的水合结构的变化，”东京大学的合作者 Tomohito Sudare 补充道。

此外，研究人员发现，水合结构高度依赖于层状材料的电荷密度(每单位体积的电荷量)。这反过来在很大程度上决定了离子存储容量。

研究人员现在希望将这些测量方法与离子水化结构的知识结合起来，设计出提高层状材料离子存储能力的新技术，从而有可能为离子分离和可持续储能开辟新途径。