Es wurde festgestellt, dass hydratisierte Ionen mysteriöse Eigenschaften in neuen Ionenbatterien haben oder auftreten

Kürzlich führten chinesische Wissenschaftler die Welt an, um das erste Bild von hydratisierten Natriumionen auf Atomebene zu erhalten, und entdeckten einen Illusionseffekt des Transports hydratisierter Ionen. Diese Studie befasst sich mit Themen wie der Entwicklung von Ionenbatterien, der Meerwasserentsalzung und biologischen Ionenkanälen.

Die Forschung hat eine neue Tür geöffnet.

Diese Forschung wurde am 14. Mai in der internationalen Top-Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Ergebnisse wurden vom Quantum Materials Science Center der Universität Peking, Jiang Xulimei, Gaoyi, der Fakultät für Chemie und Molekulartechnik der Universität Peking und Wangenge vervollständigt.

Entlarven Sie die mysteriöseste Schicht von Wassermolekülen.

Wasser ist die am häufigsten vorkommende, bekannteste und am wenigsten verstandene Substanz in der Natur. Warum ist Wasser so mysteriös? "Dies hängt mit seiner Zusammensetzung zusammen. Einer der Autoren des Newsletters des Artikels, Akademiker Wangenge von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte Reportern, dass das Wasserstoffatom im Wassermolekül das leichteste Atom im Periodensystem der Elemente ist nicht direkt mit einem einfacheren klassischen Teilchenmodell untersucht werden. Stattdessen muss eine "vollständig quantisierte" Simulation durchgeführt werden, dh sein Kern und seine Elektronen müssen als Quanta betrachtet werden, was die Schwierigkeit der Forschung erheblich erhöht.

"Die Wechselwirkung von Wasser mit anderen Substanzen ist ebenfalls ein sehr komplexer Prozess. Einer der Autoren des Newsletters des Artikels, Professor Jiangying vom Quantum Materials Science Center der School of Physics der Universität Peking, sagte, dass der Hydratationsprozess von Ionen am häufigsten vorkommt Wenn das Salz in Wasser gelöst wird, sind die gelösten Ionen nicht frei im Wasser, sondern werden mit Wassermolekülen zu einem "Cluster" kombiniert, der als Ionenhydrat bezeichnet wird. Die Ionenhydratation ist allgegenwärtig und spielt eine wichtige Rolle in Viele physikalische, chemische und biologische Prozesse wie Salzauflösung, elektrochemische Reaktionen, Ionentransfer im Körper des Lebens, Luftverschmutzung, Meerwasserentsalzung und Korrosion. ""

Welche Mikrostruktur hat Ionenhydrat? Wie bewegt es sich? Diese Themen standen in der akademischen Gemeinschaft immer im Mittelpunkt der Debatten. Es versteht sich, dass die Menschen bereits Ende des 19. Jahrhunderts die Existenz der Ionenhydratation erkannten und mit systematischen Forschungen begannen. Nach mehr als hundert Jahren harter Arbeit gibt es jedoch viele Probleme wie die Anzahl der Wasserschalenschichten von Ionen, die Anzahl und Konfiguration von Wassermolekülen in jeder Wasserkomplexschicht, den Einfluss von Wasserkomplexionen auf die Struktur von Wasserstoffbrückenbindungen und die mikroskopischen Faktoren, die die Transporteigenschaften von Wasserkomplexionen bestimmen.

Zum ersten Mal sind klare Bilder von Ionenhydraten zu sehen.

In den letzten Jahren haben Wangenge und Jiangying mit Kollegen und Studenten zusammengearbeitet, um hochauflösende Rastersonden-Technologie auf atomarer Ebene und vollständige Quantisierungsberechnungsmethoden für Lichtelementsysteme zu entwickeln. Experimentelle und theoretische Grundlagen.

Um eine hochauflösende Abbildung von hydratisierten Ionen auf atomarer Ebene durchzuführen, ist es zunächst erforderlich, ein einzelnes hydratisiertes Ion zu "trennen".

Dies ist eine ziemlich schwierige Angelegenheit. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher eine einzigartige Ionenkontrolltechnik basierend auf einem Rastertunnelmikroskop und entwickelten ein einzelnes Ionenhydrat - unter Verwendung einer sehr scharfen Metallnadelspitze auf der Oberfläche des Natriumchloridfilms. Wenn Sie sich bewegen, lassen Sie ein einzelnes Natriumion ab und "ziehen" Sie das Wassermolekül, um sich daran zu binden. Dies führt zu einem einzelnen "Natriumhydration", das eine unterschiedliche Anzahl von Wassermolekülen enthält.

Die nächste Herausforderung besteht darin, die Geometrie eines einzelnen Ionenhydratclusters mittels hochauflösender Bildgebung zu bestimmen.

Als Reaktion auf dieses Problem entwickelten die Forscher eine nicht-intrusive Rasterkraftmikroskop-Bildgebungstechnologie, die auf einer Modifikation der Kohlenmonoxid-Nadelspitze basiert und auf extrem schwachen elektrostatischen Kräften auf hohem Niveau beruhen kann, um die Bildgebung zu scannen. Sie wendeten diese Technik auf das Ionenhydratsystem an, erhielten die erste Bildgebung mit Atomauflösung und bestimmten erfolgreich die Atomadsorptionskonfiguration.

Dies ist das erste Mal, dass ein Bild von Ionenhydraten auf Atomebene im realen Raum erhalten wurde. Und dieses Bild ist ganz klar: Es kann nicht nur die Adsorptionsposition von Wassermolekülen und Ionen genau bestimmt werden, sondern auch kleine Änderungen in der Orientierung von Wassermolekülen können direkt identifiziert werden. Man kann sagen, dass die räumliche Auflösung fast die Grenze der Atome erreicht.

Entdecken Sie den wunderbaren kinetischen "Phantomzahl-Effekt"

Nachdem sie mikroskopische Bilder von ionischen Hydraten erhalten hatten, untersuchten die Forscher ihre kinetischen Transporteigenschaften weiter und fanden einen interessanten Effekt: Wenn sich die Oberfläche von Natriumchloridkristallen bewegt, scheinen Natriumionenhydrate, die eine bestimmte Anzahl von Wassermolekülen enthalten, an einer "Hyperaktivitätsstörung" zu leiden. eine ungewöhnlich hohe Diffusionskapazität, die 10-100-mal schneller ist als andere Hydrate. Die Forscher nennen dieses Merkmal den "Phantomzahl-Effekt" der Dynamik.

Warum gibt es so ein seltsames Phänomen? Durch Simulationsberechnungen fanden die Forscher heraus, dass dieser Phantomzahl-Effekt aus dem Symmetrieanpassungsgrad von ionischen Hydraten mit Oberflächengittern abgeleitet wurde. In einfachen Worten, Natriumionenhydrate, die 1, 2, 4 und 5 Wassermoleküle enthalten, "kleben" leicht auf der Oberfläche von Natriumchloridkristallen, während Ionenhydrate, die 3 Wassermoleküle enthalten, schwer "zu kleben" sind, da die Symmetrie nicht mit der übereinstimmt Substrat. So "rutscht" es sehr schnell auf seiner Oberfläche.

Diese Arbeit stellte erstmals die direkte Korrelation zwischen der mikroskopischen Struktur und den Transporteigenschaften von ionischen Hydraten her und erfrischte das traditionelle Verständnis des Ionentransports in begrenzten Systemen.

Hydratisierte Ionen werden handhabbar. Was können sie uns bringen?

Es versteht sich, dass diese Forschungsarbeit von Gutachtern in drei verschiedenen Bereichen der Zeitschrift Nature gelobt und geschätzt wurde. Sie glauben, dass diese Arbeit "sofort ein breites Interesse auf dem Gebiet der theoretischen und angewandten Oberflächenwissenschaft wecken wird" und "neue Möglichkeiten zur Steuerung des Transports hydratisierter Ionen auf der Oberfläche im Nanobereich bietet und auf andere hydratisierte Systeme ausgedehnt werden kann".

Der Akademiker Wangenge sagte: "Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass wir den Zweck erreichen können, die Transportkapazität bestimmter Ionen selektiv zu erhöhen oder zu schwächen, indem wir die Symmetrie und Periodizität der Oberfläche des Materials ändern. Dies hat eine wichtige potenzielle Bedeutung für viele verwandte Anwendungen Felder. "

Beispielsweise kann ein neuer Typ einer Ionenbatterie entwickelt werden. Jiangying sagte Reportern, dass die lithium-ionen-batterien, die wir jetzt verwenden, typischerweise aus makromolekularen Polymeren bestehen. Basierend auf dieser neuen Studie wird es möglich sein, eine neue Batterie auf der Basis von hydratisiertem Lithium-Ionen zu entwickeln. "Dieser akku erhöht die Ionenübertragungsrate erheblich, wodurch die Ladezeit verkürzt und die Batterieleistung erhöht wird. Er ist umweltfreundlicher und die Kosten werden erheblich gesenkt."

Darüber hinaus hat dieses Ergebnis einen neuen Weg für die Forschung in Grenzgebieten wie Korrosionsschutz, elektrochemischen Reaktionen, Meerwasserentsalzung und biologischen Ionenkanälen eröffnet. Gleichzeitig wird erwartet, dass die in dieser Arbeit entwickelte hochpräzise experimentelle Technologie in Zukunft auf immer umfangreichere hydratisierte Materialsysteme angewendet wird.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.