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Ion solvation as a predictor of lanthanide adsorption structures and energetics in alumina nanopores

吸附 镧系元素 放热反应 吸热过程 等温微量热法 纳米孔 化学 能量学 无机化学 离子 溶剂化壳 溶剂化 化学物理 物理化学 化学工程 材料科学 热力学 纳米技术 有机化学 工程类 物理
作者
Anastasia Ilgen,Nadine Kabengi,Jacob Smith,Kadie M. M. Sanchez
出处
期刊:Communications chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:6 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s42004-023-00978-3
摘要

Adsorption reactions at solid-water interfaces define elemental fate and transport and enable contaminant clean-up, water purification, and chemical separations. For nanoparticles and nanopores, nanoconfinement may lead to unexpected and hard-to-predict products and energetics of adsorption, compared to analogous unconfined surfaces. Here we use X-ray absorption fine structure spectroscopy and operando flow microcalorimetry to determine nanoconfinement effects on the energetics and local coordination environment of trivalent lanthanides adsorbed on Al2O3 surfaces. We show that the nanoconfinement effects on adsorption become more pronounced as the hydration free energy, ΔGhydr, of a lanthanide decreases. Neodymium (Nd3+) has the least exothermic ΔGhydr (-3336 kJ·mol-1) and forms mostly outer-sphere complexes on unconfined Al2O3 surfaces but shifts to inner-sphere complexes within the 4 nm Al2O3 pores. Lutetium (Lu3+) has the most exothermic ΔGhydr (-3589 kJ·mol-1) and forms inner-sphere adsorption complexes regardless of whether Al2O3 surfaces are nanoconfined. Importantly, the energetics of adsorption is exothermic in nanopores only, and becomes endothermic with increasing surface coverage. Changes to the energetics and products of adsorption in nanopores are ion-specific, even within chemically similar trivalent lanthanide series, and can be predicted by considering the hydration energies of adsorbing ions.

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