Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign fait progresser les connaissances fondamentales sur le rôle de la solvatation dans la liaison des ions et présente une nouvelle voie pour contrôler électrochimiquement la sélectivité des ions. L'étude a été publiée dans JACS Au .

L'équipe, dirigée par Xiao Su, professeur de génie chimique et biomoléculaire et récemment diplômé d'un doctorat. L'étudiant Raylin Chen s'appuie sur ses travaux antérieurs explorant les séparations électrochimiques des ions, qui ont révélé qu'un mécanisme critique pour la liaison des ions est la solvatation.

Ici, les chercheurs ont entrepris de contrôler la solvatation d'un polymère et de l'utiliser pour lier différents ions spécifiquement afin de le faire via un processus électrochimique grâce à une approche unique. Pour ce faire, ils ont créé un système copolymère contenant du N-isopropyl acrylamide (NIPAM) – dont il a déjà été démontré qu'il était un matériau sensible à la température – et y ont introduit des unités rédox-actives.

Étant donné que le copolymère comporte deux unités :une qui est électroactive et une qui est l'unité thermosensible d'origine, il existe désormais deux voies disponibles pour contrôler la solvatation.

"En ajustant le potentiel, nous forçons essentiellement le NIPAM à prendre de l'eau ou à en libérer sur la base de l'électrochimie", a déclaré Su. "Donc, au lieu de faire une transition thermique sur NIPAM, nous effectuons une transition électrochimique sur NIPAM."

Le copolymère a produit des films de gel, qui sont devenus leur plate-forme pour les séparations d'ions contrôlées par solvatation. Les chercheurs ont pu effectuer des tests en utilisant l'ellipsométrie in situ, une méthode qu'ils ont créée qui leur permet d'observer l'épaisseur du film gonfler et dégonfler en réponse à l'ajout ou à la libération d'eau basée sur l'électrochimie.

En collaboration avec une équipe du Laboratoire national d'Oak Ridge dirigée par Jim Browning, Hanyu Wang et Mat Doucet, ils ont utilisé une technique avancée appelée réflectométrie neutronique (NR).

"Fondamentalement, les neutrons vous permettent de voir des choses que vous ne pouvez normalement pas voir en utilisant des techniques standard comme les rayons X", a expliqué Su. "Les neutrons sont très sensibles à l'eau, ils peuvent donc vous indiquer la quantité d'eau qu'il y a dans le contenu d'un matériau."

NR leur a permis de voir la solvatation, ou la quantité d'eau distribuée à travers le film, et a montré que sous potentiel, le film gonfle et absorbe de l'eau. Su a déclaré que les chercheurs ont pu démontrer qu'avec différents degrés d'absorption d'eau, ils pouvaient contrôler la sélectivité des ions.

Parce que leurs travaux offrent un système qui peut être activé à la fois par la température et par le potentiel électrochimique, ils préparent le terrain pour une plate-forme de matériaux qui pourra être utilisée à l'avenir dans différents scénarios durables, par exemple alimentés par des énergies renouvelables ou par la chaleur perdue.

"Nos travaux font progresser le domaine des séparations électrochimiques pour le traitement de l'eau et la récupération des ressources en fournissant une compréhension plus approfondie des mécanismes moléculaires", a déclaré Su. "Pour développer des technologies plus économes en énergie et plus sélectives, il est important d'exercer un contrôle plus précis sur les mécanismes de liaison des ions. Nous espérons que nos travaux contribueront à cet objectif en élucidant l'importance de la solvatation."

Plus d'informations : Raylin Chen et al, Copolymères redox thermo-électrosensibles pour la solvatation amplifiée, le contrôle morphologique et les interactions ioniques accordables, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00486

Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois