MXene層間に閉じ込められた水の振動ダイナミクスに対する金属イオンの挿入の影響

初期遷移金属の二次元（2D）炭化物および窒化物（MXene）は、高い導電性と親水性表面を兼ね備えており、エネルギー貯蔵、電気触媒、海水淡水化において有望です。Ti₃C₂Tₗ MXeneに閉じ込められた水の振動状態に対する挿入された金属イオンの影響を調べるために、非弾性中性子散乱（INS）および分子動力学シミュレーションを使用し、MXeneの水溶液中の挙動、水の浄化、およびその他の重要な応用におけるメカニズムをより良く理解しました。すべてのサンプル、すなわち、清浄なものとリチウム、ナトリウム、またはカリウムイオンが2D Ti₃C₂Tₗ層の間に挿入されたものから水のINS信号を観測します。しかし、金属イオンが挿入されたTi₃C₂Tₗにはわずかな量の水しか存在しないことがわかります。清浄なTi₃C₂Tₗの水は、挿入されたTi₃C₂Tₗとは対照的に、バルク状の特性を持つより無秩序です。その一方で、挿入されたTi₃C₂Tₗでは、金属イオンの種類にかかわらず水がより秩序立っています。閉じ込められた水の秩序付けは、イオンのサイズとともに増加します。この発見は、分子動力学シミュレーションによってさらに確認され、イオンサイズが増加するにつれて水分子の干渉が増加し、それに伴って水の移動度が減少することが示され、エネルギーおよび環境応用のためにMXene特性を調整する指針を提供します。