Les méthodes pour améliorer la purification de l'eau ou construire de meilleures batteries sont des problèmes qui défient les scientifiques depuis des décennies. Les progrès ont avancé, mais la demande croissante éloigne de plus en plus la ligne d'arrivée.

À la fois, les réactions chimiques qui rendent possibles ces améliorations se produisent à des échelles invisibles à l'œil nu (l'échelle atomique) où les liquides et les surfaces solides se rencontrent, rendant le travail encore plus difficile.

Savoir comment ces interactions chimiques se produisent à l'interface solide-liquide est essentiel dans les problèmes d'un grand intérêt pour le ministère de l'Énergie (DOE), en particulier en ce qui concerne les problèmes environnementaux et de qualité de l'eau qui peuvent être affectés par les activités de production d'énergie à grande échelle.

Maintenant, une nouvelle technique développée par une équipe comprenant le professeur Neil Sturchio de l'Université du Delaware et ses collègues de l'Argonne National Laboratory et de l'Université de l'Illinois à Chicago a produit des observations en temps réel documentant les réactions chimiques qui se produisent entre les liquides et les solides.

La technique fournit des données qui peuvent être utilisées pour améliorer les prévisions sur la façon dont les nutriments et les contaminants se déplaceront dans les systèmes naturels ou pour évaluer l'efficacité des méthodes de purification de l'eau où l'échange d'ions est essentiel à la désinfection.

Cela peut également aider les scientifiques à identifier les facteurs limitants des supercondensateurs - des dispositifs de stockage d'énergie robustes qui sont souvent utilisés sur des batteries communes pour alimenter l'électronique grand public, véhicules hybrides, même une grande puissance à l'échelle industrielle.

Échange d'énergie dans les réactions chimiques

Sturchio, un géochimiste, a étudié les interactions minéraux/eau pendant 25 ans avec un financement du DOE. Lui et ses collaborateurs ont récemment démontré une nouvelle façon d'étudier la structure microscopique et les processus qui se produisent là où les minéraux et l'eau se rencontrent, utilisant des faisceaux de rayons X pour déclencher les réactions tout en capturant des images de leurs effets sur la surface minérale.

En utilisant maintenant une méthode appelée Resonant Anomalous X-Ray Reflectivity (RAXR), les chercheurs peuvent aller plus loin et distinguer l'identité de l'élément étudié.

"Avec nos méthodes précédentes, nous pouvions voir le profil de densité électronique à l'échelle atomique de la région interfaciale - une zone d'un nanomètre d'épaisseur comprenant la surface minérale et la solution adjacente - mais nous ne pouvions pas identifier de manière unique les couches atomiques, " dit Sturchio, professeur et président du département des sciences géologiques du College of Earth de l'UD, Océan, et Environnement.

La technique nécessite un cristal de haute qualité, les chercheurs ont donc sélectionné du mica, un minéral de structure similaire aux minéraux argileux abondants dans les sols qui produit un cristal atomiquement plat utile dans les études de laboratoire sur les propriétés interfaciales.

Les chercheurs ont réfléchi un faisceau de rayons X intense sur un échantillon de mica en contact alterné avec deux solutions salines différentes contenant du rubidium et du chlorure de sodium. En changeant l'angle du faisceau, les scientifiques ont pu scanner le profil interfacial à l'échelle atomique. En changeant l'énergie du faisceau à un angle fixe, ils pourraient isoler la distribution des ions rubidium dans la région interfaciale.

"Dans ce cas, nous pouvons nous brancher et demander précisément où est le rubidium? Comment est-il attaché au cristal de mica et comment est-il libéré dans la solution ?", a-t-il déclaré.

Selon Sturchio, la plupart des réactions chimiques dans les eaux souterraines et dans l'atmosphère, ainsi que pendant les processus industriels, y compris la purification de l'eau et certaines formes de stockage d'énergie, se produire sur des surfaces telles que des électrodes ou des particules. Lorsqu'une réaction chimique se produit, des ions sont lancés ou tirés et de l'énergie est échangée. Comprendre quantitativement comment les ions sont échangés à cette échelle peut être utilisé pour concevoir des processus chimiques pour améliorer la purification de l'eau ou comprendre comment les contaminants sont transportés dans le sol et les eaux souterraines.

Dans ce projet, les chercheurs voulaient voir ce qu'il faudrait pour obtenir le rubidium, un métal alcalin, pour se détacher de la surface du mica une fois qu'il a été attaché. Ils y sont parvenus en changeant rapidement la solution s'écoulant sur le cristal de mica du chlorure de rubidium en un chlorure de sodium plus concentré, puis chronométré la réaction pour déterminer combien de temps il a fallu pour que les ions rubidium se libèrent (désorbent) du mica et pour que les ions chlorure de sodium prennent leur place (adsorbent).

Généralement, on pense que les réactions d'adsorption se produisent en millisecondes, mais ici, il a fallu 25 secondes pour que le rubidium se dégage de la surface (désorption) et que les ions sodium prennent sa place (adsorption).

Plus le rubidium était proche de l'interface eau/minéral, plus sa position devenait fixe (à cause de l'énergie électrostatique - celle qui fait qu'un ballon colle au mur après l'avoir frotté contre un pull) et plus il fallait d'énergie pour l'éloigner du mica. Inversement, plus il y a de molécules d'eau entre la surface du cristal et l'ion rubidium, plus le rubidium avait de marge de manœuvre dans sa position et moins il fallait d'énergie pour se détacher. Les expériences ont permis de quantifier les infimes quantités d'énergie transférées lors de l'échange d'ions alcalins à cette interface, et l'implication des molécules d'eau dans le mécanisme de réaction.

La réaction a été plus lente que prévu par les chercheurs, et bien qu'une étude plus approfondie soit nécessaire, ils conviennent que les résultats fournissent des preuves pour comprendre les délais nécessaires pour que les réactions souhaitées se produisent.

Par contre, lorsque les solutions ont été inversées, le rubidium s'adsorbe sur la surface du mica beaucoup plus rapidement qu'il ne se désorbe, en se débarrassant de ses molécules d'eau attachées, démontrant que l'hydratation est importante pour la réaction.

"Pour concevoir un processus industriel, vous devez savoir exactement ce qui se passe à la surface, " dit Sturchio. " Pour autant que nous le sachions, c'est la première fois que quelqu'un a documenté des informations aussi détaillées sur la façon dont ces réactions d'échange d'ions se produisent sur une surface minérale en contact avec de l'eau, et dans ce cas, nous avons de bonnes preuves du temps que cela prend réellement."