Los procesos de purificación eficientes que separan las impurezas del aire y el agua son necesarios para sustentar la vida en la Tierra. Con este fin, los materiales de carbono se han utilizado durante mucho tiempo para desodorizar, separar y eliminar impurezas aniónicas dañinas por adsorción. Hasta ahora, el mecanismo detallado por el cual el carbono purifica el agua sigue siendo un misterio. Además, no se sabe si la solución acuosa adsorbida en el material de carbono es ácida, alcalina o neutra.

Para abordar estas brechas, los investigadores dirigidos por el Dr. Takahiro Ohkubo, profesor asociado del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Naturales y Tecnología de la Universidad de Okayama, Japón, investigaron el mecanismo fundamental por el cual los aniones son adsorbidos por los nanoporos de carbono.

En un artículo reciente disponible en línea el 16 de septiembre de 2022 y publicado en el Revista de ciencia coloide y de interfaz, los investigadores informan que emplean herramientas espectroscópicas Raman para examinar la adsorción de iones de nitrato por el poro cilíndrico de los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT).

El Dr. Ohkubo y sus colegas lograron descifrar el mecanismo de formación de capas ácidas cerca de las paredes de los poros. Resulta que, cuando un solución acuosa que contiene iones penetra en el material de carbono, incluso si la solución acuosa es neutra, se forma una capa acuosa ácida que contiene protones que mantiene un estado estable. Al comentar sobre la novedad y la naturaleza fundamental de su trabajo, el Dr. Ohkubo dice: "Hasta la fecha, no ha habido informes que demuestren la existencia de capas de adsorción ácida formadas dentro de los nanotubos de materiales de carbono".

El equipo de investigación, que también incluía al Dr. Nobuyuki Takeyasu, profesor asociado de la misma facultad en la Universidad de Okayama, descubrió que la capa ácida facilita la adsorción eficiente del nitrato con carga negativa. anión impurezas, donde la cantidad adsorbida de iones de nitrato es mucho mayor que la de los cationes, o los grupos cargados positivamente. Además, iones de hidróxido se generan como contraiones. Los aniones presentes en la solución a granel se intercambian con los iones de hidróxido en el SWCNT, lo que hace que la solución acuosa sea alcalina.

El equipo examinó la adsorción de aniones utilizando varios nitratos de metales alcalinos, incluidas las soluciones de nitrato de litio, nitrato de sodio, nitrato de rubidio y nitrato de cesio. Descubrieron que se adsorben más iones de nitrato que iones metálicos. La cantidad de adsorción de protones fue casi la misma independientemente del tipo de ion de metal alcalino utilizado. Dr. Ohkubo dice: "La capa ácida en el poro puede adsorber fuertemente el nitrato especies de aniones debido tanto al fuerte confinamiento por el poro como a la fuerte interacción entre la capa y el anión”.

Los hallazgos son, de hecho, pasos importantes hacia el diseño y desarrollo de nanotubos de carbono adecuados para la adsorción de iones y la purificación del agua y el aire. El mecanismo de purificación planteado en esta investigación es un modelo novedoso que explica la alcalinidad del medio en disolución acuosa, hasta ahora un misterio. Los investigadores observan que los hallazgos de su estudio apuntan fuertemente a la necesidad de neutralizar el agua antes de usarla cuando las impurezas iónicas quedan atrapadas por materiales de carbono.

Otra contribución destacable de este estudio es la demostración de que la interfaz de nanomateriales es un campo de reacción química novedoso, que podría servir de guía para futuros experimentos. En conjunto, este trabajo lleva nuestra comprensión del mecanismo de adsorción de aniones por parte del carbono al siguiente nivel, dando paso a nuevos nanotubos de carbono como purificadores eficientes.