층상 물질에 물 분자를 통합하면 이온 저장 능력에 영향을 미침

[아름이]

층상 물질에 물 분자를 통합하면 이온 저장 능력에 영향을 미침
날짜:
2023년 1월 20일
원천:
신슈대학
요약:
연구자들은 점토와 같은 층상 물질의 작은 나노 크기의 기공에 갇힌 수화수의 구조적 변화를 실험적으로 감지했습니다. 그들의 발견은 잠재적으로 이온 분리 및 에너지 저장을 위한 새로운 옵션의 문을 열어줍니다.

연구자들은 점토와 같은 층상 물질의 작은 나노 크기의 기공에 갇힌 수화수의 구조적 변화를 실험적으로 감지했습니다. 그들의 발견은 잠재적으로 이온 분리 및 에너지 저장을 위한 새로운 옵션의 문을 열어줍니다.

점토와 같은 층상 물질에 통합된 물 분자의 구조와 이러한 물질의 이온 구성 사이의 상호 작용을 조사하는 것은 오랫동안 큰 실험적 과제로 입증되었습니다. 그러나 연구자들은 이제 처음으로 이러한 상호 작용을 관찰하기 위해 나노 수준에서 매우 작은 질량과 분자 상호 작용을 측정하는 데 일반적으로 사용되는 기술을 사용했습니다.

그들의 연구는 2022년 10월 28일 Nature Communications 에 게재되었습니다.

많은 재료가 미시적 또는 나노 규모에서 층상 형태를 취합니다. 예를 들어 점토는 건조할 때 서로 위에 쌓인 일련의 시트와 비슷합니다. 그러나 이러한 층상 물질이 물과 만나면 그 물은 층 사이의 틈이나 구멍, 더 정확하게는 '공극'에 가두어 통합될 수 있습니다.

이러한 '수화'는 또한 물 분자 또는 그 구성 요소, 특히 수산화물 이온(단일 산소와 단일 수소 원자를 결합한 음전하 이온)이 재료의 결정 구조에 통합될 때 발생할 수 있습니다. 이러한 유형의 물질인 '수화물'은 이제 물이 그 일부가 되더라도 반드시 '젖은' 것은 아닙니다. 수화는 또한 원래 재료의 구조와 특성을 크게 변경할 수 있습니다.

이 '나노 구속'에서 수화 구조(물 분자 또는 그 구성 요소가 스스로 배열하는 방법)는 이온(양전하 또는 음전하를 띤 원자 또는 원자 그룹)을 저장하는 원래 물질의 능력을 결정합니다.

이러한 물 또는 전하의 저장은 기존의 점토에서 층상 금속 산화물에 이르기까지 이러한 층상 물질, 그리고 결정적으로 물과의 상호 작용이 정수에서 에너지 저장에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 가지고 있음을 의미합니다.

그러나 이러한 층상 물질의 이온 저장 메커니즘에서 이 수화 구조와 이온 구성 사이의 상호 작용을 연구하는 것은 큰 도전임이 입증되었습니다. 그리고 이러한 이온의 이동('이온 수송') 과정에서 이러한 수화 구조가 어떻게 변하는지 분석하려는 노력은 훨씬 더 어렵습니다.

최근 연구에 따르면 이러한 물 구조와 층상 물질과의 상호 작용은 후자에 높은 이온 저장 능력을 제공하는 데 중요한 역할을 하며, 이 모든 것은 결국 물을 호스트하는 층이 얼마나 유연한지에 달려 있습니다. 층 사이의 공간에서 이온으로 채워지지 않은 모든 기공은 대신 물 분자로 채워져 층 구조를 안정화하는 데 도움이 됩니다.

다른 말로 하면, 물 구조는 층간 이온이 구조화되는 방식에 민감합니다. "그리고 많은 다른 결정 구조에서 이 이온 구성이 얼마나 많은 이온이 저장될 수 있는지를 제어하지만 지금까지 이러한 구성은 체계적으로 조사된 적이 거의 없었습니다."

그래서 Teshima 그룹은 이론적 계산을 지원하기 위해 '에너지 소산 모니터링 기능이 있는 석영 결정 마이크로 저울'(QCM-D)을 찾았습니다. QCM-D는 본질적으로 매우 작은 질량과 나노 수준의 분자 상호 작용을 측정할 수 있는 저울처럼 작동하는 기기입니다. 이 기술은 에너지 손실의 미세한 변화도 측정할 수 있습니다.

연구원들은 QCM-D를 사용하여 층상 물질의 나노 공간에 갇힌 물 분자 구조의 변화를 실험적으로 관찰할 수 있음을 처음으로 입증했습니다.

그들은 재료의 "경도"를 측정하여 이를 수행했습니다. 그들은 음전하를 띤 점토 종류의 층상 이중 수산화물(LDHs)을 조사했습니다. 그들은 수화 구조가 어떤 이온 교환 반응(한 종류의 이온을 다른 유형의 이온으로 바꾸지만 동일한 변화)이 일어날 때 LDH의 경화와 관련이 있다는 것을 발견했습니다.

"즉, 이온 상호 작용의 모든 변화는 이온이 나노 공간에 통합될 때 발생하는 수화 구조의 변화에서 비롯됩니다.

또한 연구원들은 수화 구조가 층상 물질의 전하 밀도(단위 부피당 전하량)에 크게 의존한다는 사실을 발견했다. 이것은 차례로 이온 저장 용량을 지배하는 것입니다.

연구원들은 이제 이온의 수화 구조에 대한 지식과 함께 이러한 측정 방법을 적용하여 층상 물질의 이온 저장 능력을 개선하기 위한 새로운 기술을 고안하여 이온 분리 및 지속 가능한 에너지 저장을 위한 새로운 길을 열 수 있기를 희망합니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/