News

Ytkemi avslöjar bitande hemligheter

Oppervlakchemie onthul bytende geheime

Polerat järn som utsätts för elektrolytlösningar kommer att brytas ned och bilda järnkarbonat- och kalciumkarbonatfilmer när det utsätts för syre och en heterogen blandning av trombocyter. Upphovsman: Mikhail Trought, Perrine Group. Omtryckt med tillstånd av The Journal of Physical Chemistry A. Upphovsrätt 2021 American Chemical Society.

Man kan lätt se med blotta ögat att en gammal spik lämnas ute i regnet och orsakar rost. Vad de skarpa ögonen och den känsliga näsan kräver av mikroskopi och spektroskopi är att se hur järn rostar och bildar nya mineraler, särskilt i vatten med en nypa natrium och kalcium.

Tack vare en ny teknik utvecklad av kemister vid Michigan Technological University kan de inledande stadierna av denna process studeras mer detaljerat med ytanalys. Teamet, som leds av Kathryn Perrine, assisterande professor i kemi, släppte nyligen sin senaste artikel i Journal of Physical Chemistry A.

Gruppens huvudsakliga upptäckt är att katjonen i lösning – positivt laddade natrium- eller kalciumjoner – påverkar den typ av karbonatfilmer som växer när de utsätts för luft, som består av atmosfäriskt syre och koldioxid. Den gradvisa exponeringen av syre och koldioxid producerar karbonatfilmer som är specifika för katjonen. Järnhydroxiderna av olika former och morfologier är utan gradvis exponering för luft, inte specifika för katjonen.

En bättre förståelse av denna process och hur snabbt mineralerna bildar öppnar möjligheter för övervakning av koldioxidavskiljning, biprodukter av vattenkvalitet och förbättring av infrastrukturhantering för gamla broar och rör.

Metodik går tvärvetenskapligt

Även om rost och relaterade järnmineraler är en välkänd del av livet på jordytan, är miljöerna där de bildas mycket komplexa och varierade. Rost består vanligtvis av järnoxider och järnhydroxider, men korrosion kan också leda till järnkarbonat och annan mineralbildning. För varje form är det svårt att förstå de bästa förutsättningarna för att förhindra eller odla det. Perrine pekar på stora miljöfrågor som flint-vatten-krisen som ett exempel på hur något så enkelt som rost så lätt kan förvandlas till mer komplexa, oönskade efterföljande reaktioner.







Interaktioner mellan järn, vatten, syre och joner blir snabbt komplexa. Att studera gränssnittet luft-lösning-fast är svårt, varför kemisten Kathryn Perrine ledde ett team att utveckla en mer exakt tre-stegs metod för att se hur järnmineraler som rost bildas. Kredit: publiceras på nytt med tillstånd från The Journal of Physical Chemistry A. Upphovsrätt 2021 American Chemical Society.

“Vi vill mäta och avslöja kemiska reaktioner i verkliga miljöer”, säger Perrine och tillägger att hennes team specifikt fokuserar på ytkemi, de tunna skikten och filmerna där vatten, metall och luft interagerar. ‘Vi behöver en hög nivå på [surface] känslighet i våra analysverktyg för att få tillbaka rätt information så att vi verkligen kan säga vad ytmekanismen är och hur [iron] ändra. “

Studiet av materialvetenskapens ytvetenskap är till sin natur tvärvetenskapligt; från materialvetenskap till geokemi, från anläggningsteknik till kemi, Perrine ser sitt arbete som en bro som hjälper andra discipliner att bättre informera sina processer, modeller, insatser och innovationer. För att göra det krävs hög precision och känslighet i forskningen i hennes grupp.

Även om det finns andra metoder för att övervaka ytkorrosion och filmtillväxt, använder Perrines laboratorium en ytkemisk metod som kan anpassas för att analysera andra reduktions- och oxidationsprocesser i komplexa miljöer. I en serie artiklar granskade de sin trefasprocess-bedömde förändringarna i elektrolytkompositionen och använde syre och koldioxid från luften som reaktanter för att bilda de olika mineraler som observerades i det luft-flytande fasta ämnet för att observera damm. gränssnitt.

Exakta mätningar är den molekylära linsen för att se kemi

De analytiska teknikerna som används av teamet är ytkänsliga tekniker: polariserad modulerad infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi (PM-IRRAS), dämpad totalreflektans Fourier transform infraröd (ATR-FTIR) spektroskopi, röntgenfoto-elektron-elektron spektroskopi (XPS) AFM).

“Spektroskopin berättar för oss kemin; mikroskopin berättar för oss de fysiska förändringarna”, sa Perrine. ‘Det är verkligen svårt att [image] dessa korrosionsförsök [in real-time with AFM] eftersom ytan ständigt förändras och lösningen förändras under korrosion. “

Vad bilderna avslöjar är en följd av grop, tuggning och nedbrytning av ytan, känd som korrosion, vilket ger kärnkraftsförändringar för tillväxten av mineraler. Den viktigaste delen är att titta på de inledande faserna som en funktion av tiden.

“Vi kan betrakta korrosionen och filmtillväxten som en funktion av tiden. Kalciumkloriden [solution] tenderar att rosta ytan snabbare eftersom vi har fler kloridjoner men också har en snabbare karbonatbildning, säger Perrine och tillägger att i en video inspelad av hennes laboratorium kan den se hur natriumkloridlösning täcker ytan av järnrost gradvis och bildar rost medan lösningen torkar.

Hon tillägger att eftersom järn är allestädes närvarande i miljösystem beror fördröjningen och noggrann observation av mineraler på anpassningen av variablerna i hur det förändras till olika lösningar och exponering för luft.

Teamets ytkatalysmetod hjälper forskare att bättre förstå grundläggande miljövetenskap och andra typer av ytprocesser. Förhoppningen är att deras metod kan hjälpa till att upptäcka mekanismer som bidrar till förorenat vatten, hitta sätt att mildra koldioxid, förhindra kollaps av bron och inspirera till smartare konstruktioner och renare bränsle, samt ge djupare inblick i jordens geokemiska processer.


Forskning som använder atomprobstomografi visar hack i järnkristaller som kan “läka”


Mer information:
Chathura de Alwis et al., Effekt av katjoner på oxidation och atmosfärisk korrosion av järngränssnitt för mineraler, Journal of Physical Chemistry A (2021). DOI: 10.1021 / acs.jpca.1c06451

Tillhandahålls av Michigan Technological University

Citat: Surface Chemistry avslöjar bitande hemligheter (2021, 13 oktober), 13 oktober 2021 Hämtad från https://phys.org/news/2021-10-surface-chemistry-reveals-corrosive-secrets.html

Detta dokument omfattas av upphovsrätten. Förutom rättvis handel för privata studier eller forskning får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.


Related Articles

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button