Hur elektrolytlösningar interagerar med laddade ytor är viktigt för många fenomen. I detta arbete undersöktes samspelet mellan flera joner med en negativt laddad yta som exponerade sulfonat funktionella grupper mot lösning. Särskild vikt lades på deprotoneringsbeteendet vid ytan. Samspelet mellan olika joner och sulfonatgruppen hade inte tidigare beaktats ur ett molekylärt perspektiv. Här användes ett Langmuir-monolager bestående av dokosan-1-sulfonsyra deponerat på olika elektrolytlösningar som modellsystem. För att studera molekylära interaktioner mellan ytan och elektrolyterna användes Vibrational Sum Frequency Spectroscopy (VSFS). Denna inneboende ytkänsliga teknik gör det möjligt att observera små förändringar i vibrationsenergier i sulfonagruppen vid kontakt med olika joner, här hydronium, litium, natrium och cesium. Ett av huvudsyftena med detta arbete var att jämföra de experimentellt bestämda parametrarna med teoretiska modeller av det elektriska dubbelskiktet vid laddade gränssnitt, såsom Gouy-Chapman-teorin och andra mer avancerade Poisson-Boltzmann-baserade modeller, för att utforska deras lämplighet och gränser av giltighet. Docosan-1-sulfonsyra packades snyggt i monolager, med packningstätheten ökande med starkare jonstyrka I underfasen. Två toppar i vibrationsspektra sågs för sulfonatgruppen, den symmetriska och asymmetriska sträckningen vid 1048 cm-1 respektive 1150 cm-1. Dessa band sågs blåskiftas vid bindning av litium- och natriummotjoner. Amplituden för den symmetriska sträckningen kunde kopplas direkt till mängden laddade arter. Den teoretiska Gouy-Chapman-modellen var tillräcklig att användas för relativt låga ytpotentialer (<|150mV|). För högre potentialer var motjonens storlek nödvändig att inkludera i modellen för mer exakta förutsägelser. Sulfonsyrans surhetsgrad uppmättes till att vara pKa=-1.8±0.4 och bindningskonstanterna för olika hårda joner till den sulfonatfunktionella gruppen uppskattades vara pKLi=0 och pKNa=-0.7. Däremot binder den mjuka jonen, cesium, inte till sulfonatgruppen. Implikationen är att sulfonatgruppen bör betraktas som en hård jon I enlighet med Collins lag om matchande vattenaffiniteter. / How electrolyte solutions interact with charged surfaces is essential for many phenomena in physics, chemistry and biology. In this work, the interactions of several ions with a negatively charged surface exposing sulfonate functional groups to solution were investigated. Specific emphasis was made on the deprotonation behaviour at the surface. The interplay between different ions and the sulfonate moiety had not been previously considered from a molecular perspective. Here, a Langmuir monolayer consisting of docosane-1-sulfonic acid deposited on top of different electrolyte solutions was used as model system. To study the molecular interactions between the surface and the electrolytes, Vibrational Sum Frequency Spectroscopy (VSFS) was used. This intrinsically surface sensitive technique allows observing small changes in vibrational energies of the sulfonate functional group when in contact with different ionic species, here hydronium, lithium, sodium and cesium. One of the main objectives of this work was to compare the experimentally determined parameters with theoretical models of the electric double layer at charged interfaces, such as the Gouy-Chapman theory and other more advanced Poisson-Boltzmann based models, to explore their suitability and limits of validity. Docosane-1-sulfonic acid packed nicely into monolayers, with the packing density increasing with stronger ionic strength in the subphase. Two peaks in the vibrational spectra were seen for the sulfonate functional group, the symmetric and asymmetric stretch at 1048 cm-1 and 1150 cm-1, respectively. These bands were seen to blue-shift upon binding of lithium and sodium counterions. The amplitude of the symmetric stretch could be directly linked to the amount of charged species. The Gouy-Chapman theoretical model was adequate to use for relative low surface potentials (<|150mV|). For higher potentials, the size of the counterion was necessary to include in the model for more accurate predictions. The acidity of the sulfonic acid was measured to be pKa=-1.8±0.4 and the binding constants for different hard ions to the sulfonate functional group were estimated to be pKLi=0 and pKNa=-0.7. In contrast, the soft ion, cesium, does not bind to the sulfonate. The implication is that the sulfonate moiety should be considered a hard ion in accordance with Collins law of matching water affinities.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-289861 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Widehammar, Hugo |
| Publisher | KTH, Yt- och korrosionsvetenskap |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2021:005 |
Page generated in 0.003 seconds