単一の酸性層

研究者らは、陰イオンのナノ閉じ込めのプロセスがカーボンナノチューブ内の酸性吸着層によって強化されることを実証した

岡山大学

画像: 酸性吸着層は、細孔による強い閉じ込めと層とアニオン間の強い相互作用により、単層カーボンナノチューブ (SWCNT) 内の硝酸アニオン不純物のナノ閉じ込めを強化します。 硝酸イオンが吸着されると、水酸化物イオンがナノ空間から脱離する。 したがって、水溶液はアルカリ性の性質を示します。もっと見る

提供：岡山大学 大久保貴裕氏（岡山大学大学院自然科学研究科化学専攻）

地球上の生命を維持するには、空気と水から不純物を分離する効率的な浄化プロセスが必要です。 このため、炭素材料は、有害な陰イオン不純物の脱臭、分離、吸着除去に古くから使用されてきました。 これまでのところ、炭素が水を浄化する詳しいメカニズムは謎のままだ。 また、炭素材料に吸着した水溶液が酸性なのかアルカリ性なのか中性なのかも不明です。 これらのギャップに対処するために、岡山大学自然科学部化学教室准教授の大久保貴博博士率いる研究者らは、アニオンがカーボンナノ細孔に吸着される基本的なメカニズムを調査した。

2022年9月16日にオンラインで公開され、Journal of Colloid and Interface Scienceの第629巻パートBに掲載された最近の論文で、研究者らはラマン分光ツールを使用して単層炭素の円筒状細孔による硝酸イオンの吸着を調べたと報告している。ナノチューブ（SWCNT）。 大久保博士らは、細孔壁付近の酸性層の形成メカニズムを解明することに成功した。 イオンを含む水溶液が炭素材料に浸透すると、水溶液が中性であってもプロトンを含む酸性の水層が形成され、安定な状態を保つことが分かりました。 彼らの研究の新規性と基本的な性質について、大久保博士は次のように述べています。「これまでのところ、炭素材料のナノチューブ内に形成された酸性吸着層の存在を実証した報告はありません。」

岡山大学同学部の竹安信之准教授らの研究チームは、酸性層が負に帯電した硝酸陰イオン不純物を効率的に吸着しやすく、硝酸イオンの吸着量がそれよりはるかに多いことを発見した。カチオン、または正に帯電した基のこと。 また、対イオンとして水酸化物イオンが発生します。 バルク溶液中に存在する陰イオンが SWCNT 中の水酸化物イオンと交換され、水溶液がアルカリ性になります。 研究チームは、硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸ルビジウム、硝酸セシウム溶液など、いくつかのアルカリ金属硝酸塩を使用して陰イオンの吸着を調べました。 彼らは、金属イオンよりも硝酸イオンの方が多く吸着されることを発見した。 プロトン吸着量は、使用したアルカリ金属イオンの種類によらず、ほぼ同じであった。 大久保博士は、「細孔内の酸性層は、細孔による強い閉じ込めと、層とアニオン間の強い相互作用の両方により、硝酸アニオン種を強力に吸着することができます。」と述べています。

この発見は、イオン吸着や水と空気の浄化に適したカーボンナノチューブの設計と開発に向けた重要なステップとなる。 本研究で明らかにした浄化機構は、これまで謎であった水溶液媒体のアルカリ性を説明する新たなモデルです。 研究者らは、この研究結果は、イオン性不純物が炭素材料に捕捉された場合、使用前に中和水の必要性を強く示していると観察している。 この研究のもう 1 つの注目すべき貢献は、ナノマテリアル界面が新たな化学反応場であり、さらなる実験の指針となる可能性があることを実証したことです。 総合すると、この研究は炭素による陰イオン吸着のメカニズムの理解を次のレベルに引き上げ、効率的な浄化剤としての新しいカーボン ナノチューブへの道を切り開きます。