El profesor de ingeniería química y biomolecular (ChBE), Xiao Su, dirigió la investigación, que exploró la ciencia detrás de las "preferencias" de selectividad de los aniones monovalentes y divalentes hacia los polímeros redox. En otras palabras, ¿por qué, cuando los electrodos están recubiertos con películas de polímero redox y se aplica potencial, un ion prefiere el polímero redox mientras que otro no?

"La idea es simple", dijo Su. "Cuando aplicas potencial, unes el ion y luego quieres tener una superficie que te dé selectividad hacia el ion que deseas. Luego, aplicando el potencial opuesto, puedes regenerarlo. Así que tienes un sistema totalmente impulsado electroquímicamente. Una forma ecológica y ecológica de realizar separaciones de iones. Lo fundamental de este proceso es comprender por qué los iones prefieren el electrodo de la forma en que lo hacen".

El equipo planteó la hipótesis de que la solvatación desempeña un papel en la determinación de la selectividad. Trabajando con Jim Browning, Hanyu Wang y Mat Doucet en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, el equipo utilizó reflectometría de neutrones (NR) para observar el hinchamiento de las películas, así como la cantidad y distribución del agua que ingresa al polímero cuando se aplica potencial. En este caso, emplearon dos películas finas de metalopolímero con actividad redox con diferentes características hidrofílicas/hidrófobas:poli(vinilferroceno) (PVFc) y poli(3-ferrocenilpropilmetacrilamida) (PFPMAm), y apuntaron a la separación del renio del molibdeno. /P>

Se aplicó una secuencia de pasos de potencial reductor/oxidativo a las películas de PVFc y PFPMAm en una solución que contenía renio y una solución comparable que contenía molibdeno:potencial aplicado suficiente para reducir u oxidar las películas respectivamente. Rastrearon la hinchazón mediante NR y elipsometría espectroscópica (SE), y utilizaron una microbalanza de cristal de cuarzo electroquímico (EQCM) para monitorear el cambio de masa neto en la interfaz. Los colaboradores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, Manh Nguyen y Vanda Glezakou, llevaron a cabo cálculos de dinámica molecular ab initio (AIMD), una poderosa herramienta que simula la física que ocurre en el electrodo.

Se emplearon in situ NR, SE y EQCM, lo que brindó a los investigadores una oportunidad única de obtener una imagen molecular de los comportamientos más clara que nunca.

"Los neutrones fueron clave para rastrear el movimiento del agua en los polímeros en condiciones de trabajo reales", dijo Riccardo Candeago, Ph.D. estudiante que es el primer autor del artículo. "Mediante el uso de múltiples técnicas in situ, así como simulaciones, obtuvimos una imagen completa de nuestro sistema".

Su análisis mostró que las películas de PVFc y PFPMAm se hinchan en presencia de renio, un anión monovalente, pero no de molibdeno, un anión divalente.

"Descubrimos que la solvatación efectivamente desempeña un papel:el PVFc, el polímero más hidrófobo, prefiere el anión menos solvatado, en este caso el renio", dijo Su. "Y los aniones divalentes, cuando entran, en realidad tienden a reticular electrostáticamente la película, por lo que no es tan regenerable. Básicamente, estas películas son muy buenas para capturar estos iones de carga única".

Su dijo que sus hallazgos guiarán el desarrollo de mejores sistemas que impliquen separaciones de iones, como el reciclaje de materiales y la recuperación de metales. Por ejemplo, el renio es a la vez un metal valioso utilizado como catalizador y un análogo del tecnecio, un elemento radiactivo que es difícil de separar de los desechos nucleares, lo que hace que la captura de renio sea de gran importancia para el reciclaje de metales estratégicos. Pero estos métodos de caracterización avanzados también se pueden utilizar para clases más amplias de polímeros, no solo para metalopolímeros, lo que significa mejores sistemas para procesos como el tratamiento de agua y la remediación ambiental.

"Esta comprensión sólo fue posible mediante el uso de estas herramientas y puede brindarnos mucha información", dijo Su. "Entonces, cuando diseñamos sistemas que pueden capturar iones con diferentes cargas, así como iones con diferentes propiedades de solvatación, puede ayudarnos a establecer algunos principios de diseño. En general, es un estudio muy fundamental, pero tiene aplicaciones prácticas en el futuro. línea."

El artículo "Desentrañar el papel de la solvatación y la valencia de iones en la electrosorción mediada por redox mediante reflectometría de neutrones in situ y dinámica molecular Ab Initio" está disponible en línea.