De zure laag in enkelwandige koolstofnanobuisjes vergemakkelijkt het opvangen van anionische onzuiverheden

Effectieve zuiveringsprocessen die onzuiverheden scheiden van lucht en water zijn essentieel om het leven op aarde in stand te houden. Hiertoe worden al lang koolstofmaterialen gebruikt voor het deodoriseren, scheiden en verwijderen van schadelijke anionverontreinigingen door adsorptie. Tot nu toe is het gedetailleerde mechanisme waarmee koolstof water zuivert een mysterie gebleven. Bovendien is het niet bekend of de op het koolstofmateriaal geadsorbeerde waterige oplossing zuur, alkalisch of neutraal is.

Om deze lacunes aan te pakken, onderzochten onderzoekers onder leiding van Dr. Takahiro Ohkubo, assistent-professor in de afdeling Scheikunde, College of Natural Sciences and Technology, Okayama University, Japan het fundamentele mechanisme waarmee anionen worden geadsorbeerd door koolstofnanoporiën.

In een recent artikel online beschikbaar gemaakt op 16 september 2022 en gepubliceerd in Journal of Colloid and Interface Sciencesrapporteerden de onderzoekers dat ze Raman-spectroscopische instrumenten gebruikten om te onderzoeken adsorptie van nitraationen door de cilindrische poriën van enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT).

Dr. Okubo en zijn collega’s zijn erin geslaagd het mechanisme van zuurlaagvorming nabij de poriewanden te ontcijferen. Het blijkt dat wanneer een bestand waterige oplossing Ze bevatten ionen die de koolstofsubstantie binnendringen, zelfs als de waterige oplossing neutraal is, wordt een zure waterige laag gevormd die protonen bevat die een stabiele toestand behouden. In een commentaar op de nieuwheid en fundamentele aard van hun werk zegt Dr. Okubo: “Tot nu toe zijn er geen rapporten die de aanwezigheid aantonen van zure adsorptielagen gevormd in koolstofnanobuisjes.”

Het onderzoeksteam, waar ook Dr. Nobuyuki Takeyasu, assistent-professor aan dezelfde faculteit van de Okayama University, deel van uitmaakte, ontdekte dat de zure laag de efficiënte adsorptie van negatief geladen nitraten vergemakkelijkt. anion onzuiverheden, waarin de geabsorbeerde hoeveelheid nitraationen veel groter is dan die van kationen, of positief geladen groepen. In aanvulling op, hydroxide-ionen Ze worden gegenereerd als tegenionen. Anionen in de bulkoplossing worden uitgewisseld met hydroxide-ionen in SWCNT, waardoor de waterige oplossing alkalisch wordt.

Het team onderzocht anionadsorptie met behulp van verschillende alkalimetaalnitraten, waaronder lithiumnitraat, natriumnitraat, rubidiumnitraat en cesiumnitraatoplossingen. Ze ontdekten dat er meer nitraationen worden geabsorbeerd dan metaalionen. De hoeveelheid protonopname was ongeveer hetzelfde, ongeacht het type alkalimetaalion dat werd gebruikt. Dr. Okubo zegt: “De zure laag in de poriën kan krachtig absorberen nitraat Anionsoorten door zowel de sterke opsluiting door de poriën als de sterke interactie tussen de laag en het anion.”

De resultaten zijn inderdaad belangrijke stappen in de richting van het ontwerp en de ontwikkeling van koolstofnanobuisjes die geschikt zijn voor ionenadsorptie en water- en luchtzuivering. Het zuiveringsmechanisme dat in dit artikel wordt beschreven, is een nieuw paradigma dat de alkaliteit van waterig medium verklaart, wat tot nu toe een mysterie was. De onderzoekers merken op dat de resultaten van hun onderzoek sterk suggereren dat het nodig is om water te neutraliseren voordat het wordt gebruikt wanneer ionische onzuiverheden worden opgevangen door koolstof materialen.

Een andere opmerkelijke bijdrage van deze studie is de demonstratie dat de nanomateriaalinterface een nieuw chemisch reactiedomein is, dat verdere experimenten zou kunnen leiden. Alles bij elkaar genomen, tilt dit werk ons ​​begrip van het mechanisme van koolstofanionadsorptie naar een hoger niveau, en maakt het plaats voor nieuwe koolstofnanobuisjes als efficiënte zuiveraars.