Critical role of water structure around interlayer ions for ion storage in layered double hydroxides

离子 材料科学 层状双氢氧化物 氢气储存 石英晶体微天平 分子 储能 晶体结构 化学工程 化学物理 无机化学 化学 结晶学 复合材料 热力学 物理化学 吸附 有机化学 氢氧化物 功率(物理) 工程类 物理 合金
作者
Tomohito Sudare,Takuro Yamaguchi,Mizuki Ueda,Hiromasa Shiiba,Hideki Tanaka,Mongkol Tipplook,Fumitaka Hayashi,Katsuya Teshima
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:13
标识
DOI:10.1038/s41467-022-34124-9
摘要

Water-containing layered materials have found various applications such as water purification and energy storage. The highly structured water molecules around ions under the confinement between the layers determine the ion storage ability. Yet, the relationship between the configuration of interlayer ions and water structure in high ion storage layered materials is elusive. Herein, using layered double hydroxides, we demonstrate that the water structure is sensitive to the filling density of ions in the interlayer space and governs the ion storage. For ion storage of dilute nitrate ions, a 24% decrease in the filling density increases the nitrate storage capacity by 300%. Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring studies, combined with multimodal ex situ experiments and theoretical calculations, reveal that the decreasing filling density effectively facilitates the 2D hydrogen-bond networking structure in water around interlayer nitrate ions along with minimal change in the layered structure, leading to the high storage capacity.
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