对与石墨烯和水的离子相互作用的新理解可以改善水净化过程和电能存储

时间：2021-12-17 09:52:16 来源：

由西北工程师和阿贡国家实验室研究人员领导的研究小组发现了石墨烯与水之间离子相互作用的作用的新发现。这些见解可以为电池新型节能电极的设计提供参考，或为神经形态计算应用提供骨架离子材料。

石墨烯因具有非凡的性能而闻名，从机械强度到电子导电性再到润湿透明性，在许多环境和能源应用中（例如水脱盐，电化学储能和能量收集）起着重要作用。水介导的静电相互作用推动了这些技术背后的化学过程，因此，量化石墨烯，离子和带电分子之间的相互作用的能力至关重要，这对于设计更有效的迭代方式至关重要。

“每次您与物质中的离子发生相互作用时，介质都是非常重要的。水在介导离子，分子和界面之间的相互作用中起着至关重要的作用，从而导致各种自然过程和技术过程。”材料研究的律师泰勒教授莫妮卡·奥尔维拉·德拉克鲁兹（Monica Olvera de La Cruz）说。“但是，对于纳米级的限制作用，水介导的相互作用如何受到影响，我们还不清楚。”

该图显示了石墨烯-水界面处离子之间的相互作用。

利用西北工程学院的计算机模型仿真和阿贡大学的x射线反射率实验，研究小组研究了两个石墨烯表面之间水中不同位置的两个带相反电荷的离子之间的相互作用。他们发现，当离子的位置互换时，相互作用的强度并不相等。研究人员将这种对称性打破称为不可逆的相互作用，这是静电理论以前无法预测的现象。

研究人员还发现，当一个离子插入石墨烯层时，带相反电荷的离子之间的相互作用变得排斥，而另一种离子则在界面处被吸收。

“从我们的工作中，我们可以得出结论，仅界面附近的水结构无法确定离子之间的有效静电相互作用，”西北工程公司软材料计算与理论中心高级研究员Felipe Jimenez-Angeles说。研究。“我们观察到的非互易性意味着界面处的离子-离子相互作用不遵守库仑定律的各向同性和平移对称性，并且可以在可极化和不可极化模型中都存在。这种非对称的水极化影响了我们对离子分化机理的理解，例如离子选择性和离子特异性。”

“这些结果揭示了离子与界面相互作用的复杂性的另一层，”阿贡大学化学科学与工程系资深科学家兼小组负责人保罗·芬特说，他利用阿贡大学的先进光子源领导了该研究的X射线测量。“重要的是，这些见解来自仿真，该仿真已针对同一系统的实验观察进行了验证。”

这些结果可能会影响环境技术中用于选择性离子吸附的膜的未来设计，例如水净化工艺，用于电能存储的电池和电容器，以及生物分子（如蛋白质和DNA）的表征。

了解离子相互作用也可能会影响神经形态计算的进展-在这种形态中，计算机的功能像人的大脑，比当前的计算机更有效地执行复杂的任务。锂离子可以例如通过插入神经形态设备中的石墨烯层中或从中去除而获得可塑性。

Olvera de la Cruz表示：“石墨烯是在电解质中通过离子传输通过离子传输信号的设备的理想材料，”“我们的研究表明，石墨烯中的嵌入离子与电解质中的物理吸附离子之间的相互作用具有排斥性，从而影响了此类器件的机械性能。”

该研究为研究人员提供了对水界面附近的水介质中静电相互作用的基本理解，这些相互作用超出了水与石墨烯的关系，这对于研究物理和科学中的其他过程至关重要。

Jimenez-Angeles说：“石墨烯是规则的表面，但是这些发现可以帮助解释更复杂的分子（如蛋白质）中的静电相互作用。”“我们知道蛋白质的内部和蛋白质外部的静电荷很重要。这项工作为我们提供了探索和研究这些重要相互作用的新机会。”

参考：FelipeJiménez-Ángeles，Katherine J. Harmon，Trung Dac Nguyen，Paul Fenter和Monica Olvera de la Cruz的“封闭条件下水诱导的不可逆相互作用”，物理评论研究，2020年。
10.1103 / PhysRevResearch.2.043244

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