单壁碳纳米管中的酸性层有助于限制阴离子杂质

单壁碳纳米管中的酸性层有助于限制阴离子杂质

在碳纳米管的纳米空间中形成的酸性吸附层有助于吸附硝酸根阴离子杂质

图片:酸性吸附层增强了单壁碳纳米管 (SWCNT) 中硝酸根阴离子杂质的纳米限制,这是由于孔隙的强限制以及该层与阴离子之间的强相互作用。 当硝酸根离子被吸附时,氢氧根离子从纳米空间中解吸出来。 因此,水溶液表现出碱性。
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图片来源:冈山大学化学系、冈山大学研究生院自然科学研究科的 Takahiro Ohkubo

将杂质从空气和水中分离出来的有效净化过程对于维持地球上的生命是必要的。 为此,长期以来,碳材料一直被用于通过吸附来除臭、分离和去除有害阴离子杂质。 到目前为止,碳净化水的详细机制仍然是一个谜。 此外,不知道吸附在碳材料上的水溶液是酸性、碱性还是中性。 为了解决这些差距,日本冈山大学自然科学与技术学院化学系副教授 Takahiro Ohkubo 博士领导的研究人员研究了碳纳米孔吸附阴离子的基本机制。

在最近的一篇文章中,该文章于 2022 年 9 月 16 日在线发布,并发表在第 629 卷 B 部分 胶体与界面科学杂志, 研究人员报告称,他们使用拉曼光谱工具检查了单壁碳纳米管 (SWCNT) 的圆柱形孔对硝酸根离子的吸附。 Ohkubo 博士和他的同事成功破译了孔壁附近酸性层形成的机制。 结果表明,当含有离子的水溶液渗透碳材料时,即使水溶液是中性的,也会形成保持稳定状态的含有质子的酸性水层。 Ohkubo 博士在评论他们工作的新颖性和基本性质时说,“迄今为止,还没有报道证明在碳材料纳米管内形成酸性吸附层。”

研究小组还包括冈山大学同一学院的副教授 Nobuyuki Takeyasu 博士,他们发现酸性层有利于有效吸附带负电荷的硝酸根阴离子杂质,其中硝酸根离子的吸附量远大于阳离子或带正电荷的基团。 此外,产生氢氧根离子作为抗衡离子。 本体溶液中存在的阴离子与 SWCNT 中的氢氧根离子交换,使水溶液呈碱性。 该团队使用几种碱金属硝酸盐检查了阴离子吸附,包括硝酸锂、硝酸钠、硝酸铷和硝酸铯溶液。 他们发现吸附的硝酸根离子比金属离子多。 无论使用何种碱金属离子,质子吸附量几乎相同。 大久保博士观察到,“孔隙中的酸性层可以强烈吸附硝酸根阴离子物种,因为孔隙的强限制以及层与阴离子之间的强相互作用。”

这些发现确实是设计和开发适用于离子吸附和净化水和空气的碳纳米管的重要步骤。 本研究中提出的净化机制是一种解释水溶液介质碱性的新模型,这一直是一个谜。 研究人员观察到,他们的研究结果强烈表明,当离子杂质被碳材料捕获时,需要在使用前中和水。 这项研究的另一个显着贡献是证明纳米材料界面是一个新的化学反应领域,可以指导进一步的实验。 总而言之,这项工作将我们对碳吸附阴离子机制的理解提升到了一个新的水平,为新型碳纳米管作为高效净化剂铺平了道路。

关于日本冈山大学

作为日本领先的大学之一,冈山大学旨在为世界的可持续发展创造和建立新的范式。 冈山大学提供广泛的学术领域,成为综合研究生院的基础。 这不仅使我们能够进行最先进和最新的研究,而且还提供了丰富的教育经验。

网站:https://www.okayama-u.ac.jp/index_e.html

关于日本冈山大学副教授 Takahiro Ohkubo

Takahiro Ohkubo 博士是冈山大学自然科学研究科研究生院化学系的副教授。 他参与的主题包括纳米限制系统的结构和性质、纳米结构(簇和小颗粒)、多孔材料、表面科学和碳基材料。 Ohkubo博士在其学术生涯中获得了多个奖项,包括“冈山大学理学院教育最佳贡献奖”(2017年)和“日本化学会胶体与界面化学部2012年青年研究员奖(2012年)” . 他撰写了 100 多篇文章,对他的研究领域做出了重大贡献。


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