Una nueva comprensión de los polímeros metálicos podría mejorar el reciclaje de materiales

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En un nuevo artículo publicado en JAX ESInvestigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han analizado los efectos de la solubilidad y la valencia iónica en los polímeros metálicos, con implicaciones para la recuperación y el reciclaje de materiales importantes y la remediación ambiental.

Profesor de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE). Xiao Su Dirigió una investigación que exploró la ciencia detrás de las «preferencias» selectivas de aniones monovalentes y divalentes hacia los polímeros redox. En otras palabras, ¿por qué, cuando los electrodos están recubiertos con películas de polímero redox y se aplica un potencial, un ion prefiere el polímero redox mientras que el otro no?

«La idea es simple», dijo Su. “Cuando aplicas potencial, unes el ion y luego quieres tener una superficie que te dé selectividad hacia el ion que deseas y luego, al aplicar el potencial opuesto, puedes regenerarlos. método ecológico para separar iones La esencia de este proceso es comprender por qué los iones prefieren un electrodo como lo hacen.

El equipo planteó la hipótesis de que la solución desempeña un papel en la determinación de la selectividad. Trabajando con Jim Browning, Hanyu Wang y Matt Doucet en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, el equipo utilizó reflectometría de neutrones (NR) para monitorear la hinchazón de las películas, así como la cantidad y distribución de agua que ingresa al polímero cuando se aplica el potencial. En este caso, utilizaron dos películas delgadas de copolímeros metálicos con actividad redox con diferentes propiedades hidrófilas/hidrófobas (polivinilferroceno) (PVFc) y poli(3-ferrocenilpropilmetacrilamida) (PFPMAm) y se centraron en la separación del renio del molibdeno.

Se aplicaron una serie de pasos de potencial de reducción/oxidación a películas de PVFc y PFPMAm en una solución que contenía renio y una solución similar que contenía molibdeno; se aplicaron potenciales suficientes para reducir u oxidar las películas, respectivamente. Rastrearon la hinchazón mediante NR y elipsometría espectroscópica (SE), y utilizaron una microbalanza de cristal de cuarzo electroquímico (EQCM) para monitorear el cambio neto de masa en la interfaz. Los colaboradores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, Manh Nguyen y Vanda Glizako, realizaron cálculos de dinámica molecular elemental (AIMD), una poderosa herramienta que simula la física que ocurre en un electrodo.

Se utilizaron NR, SE y EQCM in situ, lo que brindó a los investigadores una oportunidad única de obtener una imagen molecular de los comportamientos más clara que nunca.

«Los neutrones fueron clave para rastrear el movimiento del agua en polímeros en condiciones de trabajo reales», dijo Ricardo Candejo, Ph.D., ChBE. El estudiante que es el primer autor del artículo. «Utilizando múltiples técnicas in situ y simulaciones, obtuvimos una imagen completa de nuestro sistema».

Su análisis mostró que las películas de PVFc y PFPMAm se hinchan en presencia de renio, un anión monovalente, pero no de molibdeno, un anión divalente.

«Descubrimos que los disolventes en realidad desempeñan un papel: el PVFc, el polímero más hidrófobo, prefiere el anión menos disolvente, en este caso renio», dijo Su.

«Y los aniones divalentes, cuando entran, en realidad tienden a unir eléctricamente la película para que no se regenere. Básicamente, estas películas son muy buenas para capturar estos iones de carga única».

Su dijo que sus hallazgos guiarán el desarrollo de mejores sistemas que impliquen la separación de iones, como el reciclaje de materiales y la recuperación de metales. Por ejemplo, el renio es un metal precioso utilizado como catalizador y un isótopo de tecnecio, un elemento radiactivo difícil de separar de los desechos nucleares, lo que hace que la captura de renio sea de gran importancia para el reciclaje de metales estratégicos. Pero estos métodos de caracterización avanzados también se pueden utilizar para clases más amplias de polímeros, no solo polímeros minerales, lo que significa mejores sistemas para procesos como el tratamiento de agua y la remediación ambiental.

«Esta comprensión sólo fue posible con estas herramientas y puede brindarnos mucho conocimiento», dijo Su. «Entonces, cuando diseñamos sistemas que pueden capturar iones con diferentes cargas, así como iones con diferentes propiedades de solubilidad, puede ayudarnos a establecer algunos principios de diseño. En general, es un estudio muy básico, pero que tiene aplicaciones prácticas en el futuro».

referencia: Candiago R, Wang H, Nguyen MT, et al. Desentrañar el papel de los disolventes y las valencias iónicas en la electrosorción mediada por redox mediante reflectometría de neutrones in situ y dinámica molecular desde cero. JAX ES. 2024;4(3):919-929. doi: 10.1021/sierra neumática.3c00705

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