Предложен новый дескриптор для описания физико-химических и электрохимических параметров ионов

Дескрипторы активности — это параметры, которые помогают предсказать, как вещества будут вести себя в различных химических реакциях. В первую очередь они используются в катализе и других близких областях, чтобы понять, насколько рассматриваемое вещество может быть активно в химических или электрохимических реакциях.

В исследовании сотрудника Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН, результаты которого опубликованы в журнале Electrochimica Acta, предложены новые дескрипторы для описания параметров ионов на основе уровней молекулярных орбиталей, сообщила пресс-служба Минобрнауки России.

Молекулярные орбитали — это области в молекуле, где вероятность нахождения электронов наиболее высока. Они играют ключевую роль в определении химической активности и параметров системы. В частности, высшая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО) и высшая свободная молекулярная орбиталь (НСМО) наиболее важны для понимания, как исследуемое соединение будет взаимодействовать с другими веществами.

Для анализа параметров адсорбции и связывания ионов с молекулами растворителей применялись квантово-химические расчёты. Расчёты позволили выявить корреляцию между уровнями энергии ВЗМО и НСМО орбиталей ионов и параметрами адсорбции, что открывает новые возможности для применения этого подхода в различных прикладных задачах.

Схематическое изображение обнаруженных зависимостей параметров от уровней энергии молекулярных орбиталей

Большим преимуществом этого подхода является универсальность параметров уровней орбиталей. Помимо параметров адсорбции на электродах и связывания с водой, также представляется возможным предсказывать целый ряд физико-химических и электрохимических свойств: дипольного момента, поляризуемости, энергии сольватации и так далее. В свою очередь, это позволяет на основе достаточно простых квантово-химических расчётов молекулярных орбиталей одновременно оценить множество разнообразных параметров ионов, что позволяет применить ВЗМО и НСМО в различных прикладных оценках.

«В данном исследовании решена обратная задача: вместо поиска дескрипторов для различных электродных материалов, как это принято в электрокатализе и катализе, осуществляется поиск дескрипторов различных ионов при адсорбции на одном электроде или при связывании в комплекс с молекулами растворителя. Этот подход можно применять в различных областях, где требуется управлять поверхностным составом, например, для оценки эффективности конкретного сорбента в связывании ионов тяжёлых металлов из загрязнённой воды», — рассказал автор исследования Сергей Доронин, научный сотрудник ФИЦ ХФ РАН.

В качестве наглядного примера в исследовании была проведена оценка степени заполнения водой модельного электрода в контакте с электролитом, состоящим из катионов лития и варьируемых анионов. Этот аспект крайне важен для водных электролитов, так как уменьшение доли воды на электроде способствует увеличению окна потенциалов и повышает энергоёмкость водных аккумуляторов. Согласно оценкам, потенциальными солями для водного электролита могут быть щелочные соли производных сульфоновой кислоты.

Практическая значимость данного исследования заключается в возможности предсказания поведения ионов в различных химических и электрохимических процессах. Это может привести к созданию эффективных катализаторов, улучшению методов очистки воды и разработке новых материалов для энергетики.

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.