Camada ácida em único

Pesquisadores demonstram que o processo de nanoconfinamento de ânions é aprimorado por uma camada de adsorção ácida em nanotubos de carbono

Universidade de Okayama

imagem: Camada adsorvida ácida aumenta o nanoconfinamento de impurezas de ânion nitrato em nanotubos de carbono de parede única (SWCNT) devido ao forte confinamento pelo poro e forte interação entre a camada e o ânion. Quando os íons nitrato são adsorvidos, os íons hidróxido são dessorvidos do nanoespaço. Assim, a solução aquosa apresenta propriedades alcalinas.Veja mais

Crédito: Takahiro Ohkubo do Departamento de Química da Universidade de Okayama, Escola de Pós-Graduação em Ciências Naturais e Tecnologia, Universidade de Okayama

Processos de purificação eficientes que separam as impurezas do ar e da água são necessários para sustentar a vida na Terra. Para este fim, os materiais de carbono têm sido utilizados há muito tempo para desodorizar, separar e remover impurezas aniônicas prejudiciais por adsorção. Até agora, o mecanismo detalhado pelo qual o carbono purifica a água permaneceu um mistério. Além disso, não se sabe se a solução aquosa adsorvida no material de carbono é ácida, alcalina ou neutra. Para resolver essas lacunas, pesquisadores liderados pelo Dr. Takahiro Ohkubo, professor associado do Departamento de Química da Faculdade de Ciências Naturais e Tecnologia da Universidade de Okayama, Japão, investigaram o mecanismo fundamental pelo qual os ânions são adsorvidos por nanoporos de carbono.

Em um artigo recente disponibilizado online em 16 de setembro de 2022 e publicado no volume 629 Parte B do Journal of Colloid and Interface Science, os pesquisadores relatam o emprego de ferramentas espectroscópicas Raman para examinar a adsorção de íons nitrato pelo poro cilíndrico do carbono de parede única nanotubos (SWCNT). Dr. Ohkubo e seus colegas conseguiram decifrar o mecanismo de formação da camada ácida perto das paredes dos poros. Acontece que, quando uma solução aquosa contendo íons penetra no material de carbono, mesmo que a solução aquosa seja neutra, forma-se uma camada aquosa ácida contendo prótons que mantém um estado estável. Comentando sobre a novidade e a natureza fundamental de seu trabalho, o Dr. Ohkubo afirma: “Até o momento, não houve relatos demonstrando a existência de camadas de adsorção ácida formadas dentro de nanotubos de materiais de carbono”.

A equipe de pesquisa, que também incluiu o Dr. Nobuyuki Takeyasu, professor associado da mesma faculdade na Universidade de Okayama, descobriu que a camada ácida facilita a adsorção eficiente das impurezas do ânion nitrato com carga negativa, onde a quantidade adsorvida de íons nitrato é muito maior do que aquela. dos cátions, ou dos grupos carregados positivamente. Além disso, íons hidróxido são gerados como contra-íons. Os ânions presentes na solução a granel são trocados pelos íons hidróxido no SWCNT, tornando a solução aquosa alcalina. A equipe examinou a adsorção de ânions usando vários nitratos de metais alcalinos, incluindo soluções de nitrato de lítio, nitrato de sódio, nitrato de rubídio e nitrato de césio. Eles descobriram que mais íons nitrato são adsorvidos do que íons metálicos. A quantidade de adsorção de prótons foi quase a mesma, independentemente do tipo de íon de metal alcalino utilizado. Ohkubo observa: “A camada ácida no poro pode adsorver fortemente as espécies de ânion nitrato devido ao forte confinamento pelo poro e à forte interação entre a camada e o ânion”.

As descobertas são de fato passos importantes para projetar e desenvolver nanotubos de carbono adequados para adsorção de íons e purificação de água e ar. O mecanismo de purificação apresentado nesta pesquisa é um novo modelo que explica a alcalinidade do meio de solução aquosa, que até agora tem sido um mistério. Os pesquisadores observam que as descobertas de seu estudo apontam fortemente para a necessidade de neutralizar a água antes do uso, quando impurezas iônicas ficam presas em materiais de carbono. Outra contribuição notável deste estudo é a demonstração de que a interface dos nanomateriais é um novo campo de reação química, que poderá orientar novos experimentos. Em conjunto, este trabalho leva a nossa compreensão do mecanismo de adsorção de ânions pelo carbono para o próximo nível, abrindo caminho para novos nanotubos de carbono como purificadores eficientes.