В то же время химические реакции, которые делают эти улучшения возможными, происходят в масштабах, невидимых невооруженным глазом (атомный масштаб), где встречаются жидкости и твердые поверхности, что еще больше затрудняет работу.Знание того, как эти химические взаимодействия происходят на границе раздела твердое тело-жидкость, имеет решающее значение для проблем, представляющих большой интерес для Министерства энергетики (DOE), особенно в связи с проблемами окружающей среды и качества воды, на которые может повлиять крупномасштабная деятельность по производству энергии.Теперь новая методика, разработанная командой, в которую входят профессор Университета Делавэра Нил Стурчио и его коллеги из Аргоннской национальной лаборатории и Университета Иллинойса в Чикаго, позволила произвести наблюдения в реальном времени, документирующие химические реакции, происходящие между жидкостями и твердыми телами.
Этот метод предоставляет данные, которые можно использовать для улучшения прогнозов того, как питательные вещества и загрязнители будут перемещаться в естественных системах, или для измерения эффективности методов очистки воды, где ионный обмен имеет решающее значение для санитарии.Это также может помочь ученым выявить ограничивающие факторы для суперконденсаторов — надежных устройств хранения энергии, которые часто используются вместо обычных батарей для питания бытовой электроники, гибридных транспортных средств и даже крупных промышленных предприятий.
Энергетический обмен в химических реакцияхСтурчио, геохимик, изучал взаимодействие минералов и воды в течение 25 лет при финансовой поддержке Министерства энергетики.
Он и его сотрудники недавно продемонстрировали новый способ изучения микроскопической структуры и процессов, происходящих там, где встречаются минералы и вода, с использованием рентгеновских лучей для запуска реакций и получения изображений их воздействия на поверхность минералов.Теперь, используя метод под названием Resonant Anomalous X-Ray Reflectivity (RAXR), исследователи могут пойти еще дальше и определить идентичность изучаемого элемента.«С помощью наших предыдущих методов мы могли видеть профиль электронной плотности в атомном масштабе в межфазной области — зоне толщиной в нанометр, включая поверхность минерала и прилегающий раствор — но не смогли однозначно идентифицировать атомные слои», — сказал Стурчио. , профессор и заведующий кафедрой геологических наук Колледжа Земли, океана и окружающей среды Университета штата Вашингтон.Для этого метода требуется высококачественный кристалл, поэтому исследователи выбрали слюду, минерал, похожий по структуре на многочисленные глинистые минералы в почвах, из которых получается атомно-плоский кристалл, полезный в лабораторных исследованиях межфазных свойств.
Исследователи отразили интенсивный рентгеновский луч от образца слюды при попеременном контакте с двумя различными солевыми растворами, содержащими рубидий и хлорид натрия. Изменяя угол луча, ученые смогли сканировать межфазный профиль в атомном масштабе.
Изменяя энергию луча под фиксированным углом, они могли изолировать распределение ионов рубидия в межфазной области.«В этом случае мы можем настроиться и спросить, где конкретно рубидий? Как он прикрепляется к кристаллу слюды и как попадает в раствор?» он сказал.
По словам Стурчио, большинство химических реакций в грунтовых водах и в атмосфере, а также во время промышленных процессов, включая очистку воды и некоторые формы накопления энергии, происходят на таких поверхностях, как электроды или частицы. Когда происходит химическая реакция, ионы запускаются или притягиваются, и происходит обмен энергией.
Количественное понимание того, как происходит обмен ионами в этом масштабе, может быть использовано для разработки химических процессов для улучшения очистки воды или понимания того, как загрязняющие вещества переносятся в почве и грунтовых водах.В этом проекте исследователи хотели увидеть, что потребуется, чтобы рубидий, щелочной металл, высвободился с поверхности слюды после того, как он был прикреплен. Они достигли этого, быстро изменив раствор, протекающий по кристаллу слюды, с хлорида рубидия на более концентрированный хлорид натрия, а затем рассчитали время реакции, чтобы определить, сколько времени требуется ионам рубидия для высвобождения (десорбции) из слюды и хлорида натрия. ионы занимают их место (адсорбируют).
Обычно считается, что реакции адсорбции происходят за миллисекунды, но здесь потребовалось 25 секунд, чтобы рубидий высвободился с поверхности (десорбция) и ионы натрия заняли его место (адсорбция).Чем ближе рубидий был к границе раздела минерал / вода, тем более фиксированным становилось его положение (из-за электростатической энергии — такой, которая заставляет воздушный шар прилипать к стене после того, как вы потираете его о свитер), и тем больше энергии требовалось для оторвите его от слюды. И наоборот, чем больше молекул воды между поверхностью кристалла и ионом рубидия, тем больше пространства для маневра имеет рубидий на своем месте и тем меньше энергии требуется для отрыва. Эксперименты помогли количественно оценить мельчайшие количества энергии, передаваемой во время обмена щелочными ионами на этой границе, и участие молекул воды в механизме реакции.
Реакция была медленнее, чем ожидали исследователи, и, хотя требуются дальнейшие исследования, они согласны с тем, что результаты предоставляют доказательства для понимания сроков, необходимых для возникновения желаемых реакций.Напротив, когда растворы были переключены обратно, рубидий адсорбировался на поверхности слюды гораздо быстрее, чем десорбировался, отщепляя прикрепленные к нему молекулы воды, демонстрируя, что гидратация важна для реакции.«Чтобы разработать производственный процесс, вам необходимо точно знать, что происходит на поверхности», — сказал Стурчио. «Насколько нам известно, это первый раз, когда кто-либо задокументировал такую подробную информацию о том, как эти реакции ионного обмена происходят на поверхности минерала в контакте с водой, и в этом случае у нас есть веские доказательства того, сколько времени на самом деле занимает . "