单壁碳纳米管中的酸性层有助于限制阴离子杂质

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TakahiroOhkubo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2022年9月16日在线发表并发表在《胶体与界面科学杂志》上的最近一篇文章中，研究人员报告说，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，还没有报告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NobuyukiTakeyasu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。Ohkubo博士说：“由于孔隙的强限制以及层与阴离子之间的强相互作用，孔隙中的酸性层可以强烈吸附硝酸根阴离子物质。”

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。