Couche acide en simple

Les chercheurs démontrent que le processus de nanoconfinement des anions est amélioré par une couche d'adsorption acide dans les nanotubes de carbone

Université d'Okayama

image : La couche acide adsorbée améliore le nanoconfinement des impuretés des anions nitrate dans les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) en raison du fort confinement par les pores et de la forte interaction entre la couche et l'anion. Lorsque les ions nitrate sont adsorbés, les ions hydroxyde sont désorbés du nanoespace. Ainsi, la solution aqueuse présente des propriétés alcalines.Voir plus

Crédit : Takahiro Ohkubo du Département de chimie de l'Université d'Okayama, École supérieure de sciences naturelles et de technologie, Université d'Okayama

Des processus de purification efficaces qui séparent les impuretés de l’air et de l’eau sont nécessaires au maintien de la vie sur terre. À cette fin, les matériaux carbonés sont utilisés depuis longtemps pour désodoriser, séparer et éliminer les impuretés anioniques nocives par adsorption. Jusqu’à présent, le mécanisme détaillé par lequel le carbone purifie l’eau reste un mystère. De plus, on ne sait pas si la solution aqueuse adsorbée sur le matériau carboné est acide, alcaline ou neutre. Pour combler ces lacunes, les chercheurs dirigés par le Dr Takahiro Ohkubo, professeur agrégé au département de chimie de la faculté des sciences naturelles et technologies de l'université d'Okayama, au Japon, ont étudié le mécanisme fondamental par lequel les anions sont adsorbés par les nanopores de carbone.

Dans un article récent mis en ligne le 16 septembre 2022 et publié dans le volume 629, partie B du Journal of Colloid and Interface Science, les chercheurs rapportent avoir utilisé des outils spectroscopiques Raman pour examiner l'adsorption des ions nitrate par le pore cylindrique du carbone à paroi unique. nanotubes (SWCNT). Le Dr Ohkubo et ses collègues ont réussi à déchiffrer le mécanisme de formation de la couche acide près des parois des pores. Il s’avère que, lorsqu’une solution aqueuse contenant des ions pénètre dans le matériau carboné, même si la solution aqueuse est neutre, une couche aqueuse acide contenant des protons se forme qui maintient un état stable. Commentant la nouveauté et la nature fondamentale de leurs travaux, le Dr Ohkubo déclare : « À ce jour, aucun rapport n’a démontré l’existence de couches d’adsorption acides formées dans les nanotubes de matériaux carbonés. »

L'équipe de recherche, qui comprenait également le Dr Nobuyuki Takeyasu, professeur agrégé dans la même faculté de l'Université d'Okayama, a découvert que la couche acide facilite l'adsorption efficace des impuretés anioniques nitrate chargées négativement, où la quantité adsorbée d'ions nitrate est beaucoup plus grande que celle-là. des cations, ou des groupes chargés positivement. De plus, des ions hydroxyde sont générés sous forme de contre-ions. Les anions présents dans la solution globale sont échangés avec les ions hydroxyde du SWCNT, rendant la solution aqueuse alcaline. L’équipe a examiné l’adsorption d’anions à l’aide de plusieurs nitrates de métaux alcalins, notamment des solutions de nitrate de lithium, de nitrate de sodium, de nitrate de rubidium et de nitrate de césium. Ils ont constaté que davantage d’ions nitrates sont adsorbés que d’ions métalliques. La quantité d’adsorption de protons était presque la même quel que soit le type d’ion de métal alcalin utilisé. Le Dr Ohkubo observe : « La couche acide dans le pore peut fortement adsorber les espèces d’anions nitrate en raison à la fois du fort confinement par le pore et de la forte interaction entre la couche et l’anion. »

Ces résultats constituent en effet des étapes importantes vers la conception et le développement de nanotubes de carbone adaptés à l’adsorption ionique et à la purification de l’eau et de l’air. Le mécanisme de purification exposé dans cette recherche est un nouveau modèle qui explique l'alcalinité du milieu en solution aqueuse, qui était jusqu'à présent un mystère. Les chercheurs observent que les résultats de leur étude soulignent fortement la nécessité de neutraliser l’eau avant utilisation lorsque les impuretés ioniques sont piégées par les matériaux carbonés. Une autre contribution remarquable de cette étude est la démonstration que l’interface des nanomatériaux constitue un nouveau domaine de réaction chimique, qui pourrait guider d’autres expériences. Pris ensemble, ces travaux amènent notre compréhension du mécanisme d’adsorption des anions par le carbone à un niveau supérieur, ouvrant la voie à de nouveaux nanotubes de carbone en tant que purificateurs efficaces.