Η κομψή θεωρία δείχνει πώς το νερό βοηθά στους διαχωρισμένους ιόντα που εμπλέκονται στη σύνθεση και την κατασκευή υλικών

Το νερό διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο σε διάφορες διαδικασίες σύνθεσης και παραγωγής υλικών, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων και των λειτουργιών της μπαταρίας. Ωστόσο, ο λεπτομερής μηχανισμός για τον τρόπο με τον οποίο τα μόρια του νερού αλληλεπιδρούν με τα ιόντα και η επιρροή του διαχωρισμού τους δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητό. Ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο, που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Warwick, προσφέρει μια ολοκληρωμένη κατανόηση του ρόλου του νερού σε αυτές τις διαδικασίες.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε υπολογισμούς λειτουργικής θεωρίας πυκνότητας (DFT) για να διερευνήσει τη συμπεριφορά των μορίων νερού παρουσία ιόντων. Το DFT είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την προσομοίωση της ηλεκτρονικής δομής των υλικών και των μορίων. Η ομάδα επικεντρώθηκε σε δύο συγκεκριμένα συστήματα:τη διαλυτοποίηση ιόντων λιθίου (Li+) και την αλληλεπίδραση των μορίων νερού με επιφάνεια λιθίου-οξυγόνου (Li-O).

Στην περίπτωση της διαλυτοποίησης Li+, οι υπολογισμοί DFT αποκάλυψαν ότι τα μόρια νερού σχηματίζουν ένα πολύ διατεταγμένο κέλυφος ενυδάτωσης γύρω από το ιόν λιθίου. Αυτή η διατεταγμένη δομή προκύπτει από τις ισχυρές ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του θετικά φορτισμένου ιόντος λιθίου και των αρνητικά φορτισμένων ατόμων οξυγόνου των μορίων νερού. Το κέλυφος ενυδάτωσης προστατεύει αποτελεσματικά το ιόν λιθίου από την αλληλεπίδραση με άλλα ιόντα ή μόρια στο διάλυμα, το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για τη σταθεροποίηση του ιόντος και τη διευκόλυνση της μεταφοράς του σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις.

Επιπλέον, οι ερευνητές διερεύνησαν την αλληλεπίδραση των μορίων νερού με επιφάνεια Li-O, η οποία αντιπροσωπεύει την επιφάνεια του ηλεκτροδίου σε μπαταρία ιόντων λιθίου. Οι υπολογισμοί DFT έδειξαν ότι τα μόρια νερού σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου με τα άτομα οξυγόνου στην επιφάνεια, δημιουργώντας ένα δίκτυο νερού που εμποδίζει αποτελεσματικά τη μετανάστευση ιόντων λιθίου από το ηλεκτρόδιο. Αυτό το φαινόμενο αποκλεισμού είναι υπεύθυνο για την παθητικοποίηση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου και τη μείωση της απόδοσης της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου.

Συνολικά, το θεωρητικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε από την ερευνητική ομάδα παρέχει μια ολοκληρωμένη κατανόηση του ρόλου των μορίων νερού στη σύνθεση υλικών και τις διαδικασίες παραγωγής που περιλαμβάνουν ιόντα. Τα ευρήματα συμβάλλουν στον ορθολογικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων και των συστημάτων μπαταριών, επιτρέποντας πιο αποτελεσματικά και ανθεκτικά υλικά και συσκευές.