Российские ученые предсказали поведение ионов в различных химических процессах
Ученые Федерального исследовательского центра химической физики Российской Академии Наук (ФИЦ ХФ РАН) представили новый дескриптор свойств ионов, который значительно повышает точность предсказаний физико-химических и электрохимических процессов. Это исследование открывает новые перспективы для развития катализа, очистки воды и создания новых материалов для энергетики.
Дескрипторы активности — это параметры, которые помогают предсказать, как вещества будут вести себя в различных химических реакциях. В исследовании, предложены новые дескрипторы для описания параметров ионов на основе уровней молекулярных орбиталей — областей в молекуле, где вероятность нахождения электронов наиболее высока. Молекулярные орбитали играют ключевую роль в определении химической активности и параметров системы. В частности, высшая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО) и низшая 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 автор применил квантовохимические расчеты, которые 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. Преимуществом такого подхода является универсальность.
«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 тяжелых металлов из загрязненной воды», — рассказал автор исследования, научный сотрудник ФИЦ ХФ РАН Сергей Доронин.
В качестве примера в исследовании проведена оценка степени заполнения водой модельного электрода в контакте с электролитом, состоящим из катиона лития и варьируемого аниона. Этот параметр крайне важен для водных электролитов, так как уменьшение доли воды на электроде способствует увеличению окна потенциалов и повышает энергоемкость водных аккумуляторов.