Rozkłady gęstości ładunku elektrycznych warstw podwójnych

Rozwijając niedawno opracowaną technikę trójwymiarowej mikroskopii elektrochemicznej sił atomowych (EC-3D-AFM), naukowcy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign uzyskali profil głębokości ładunku i gęstości podwójnych warstw elektrycznych (EDL). Dzięki analizie statystycznej, dekonwolucji pików i obliczeniom elektrostatycznym naukowcy opracowali trójwymiarowy profil ładunku AFM (CP-3D-AFM), aby eksperymentalnie określić rozkład ładunku na powierzchniach międzyfazowych elektrod.

Profesor materiałoznawstwa i inżynierii Yingjie Zhang oraz doktorant nauk mechanicznych i inżynierii Lalith Bonagiri opublikowali niedawno artykuł „Profile gęstości ładunku w przestrzeni rzeczywistej interfejsu elektroda-elektrolit z rozdzielczością głębokości angstremów” w czasopiśmie ACS Nano.

Zhang i Bonagiri pokazują, że rdzeniem elektrochemii jest konwersja międzyfazowa między elektrycznością a energia chemiczna Na styku elektroda-elektrolit takie procesy wymagają akumulacji i wyczerpywania ładunków na styku. Przestrzenny rozkład ładunku jest zatem kluczem do zrozumienia mechanizmów procesów elektrochemicznych. Jednak profile gęstości ładunku na tych interfejsach pozostają tajemnicą.

Zespół zastosował ciecz jonową, bis(trifluorometylosulfonylo)imid 1-etylo-3-metyloimidazoliowy (EMIM-TFSI), jako wybrany elektrolit, na elektrodzie wysoko zhydrolizowanej pirolizy (HOPG). EMIM-TFSI i HOPG to typowe układy stosowane w urządzeniach do magazynowania energii i superkondensatorach.

Użyli także innego rodzaju powstającego elektrolitu: wody w soli (WiS), która składa się z silnie stężonej soli w roztworze wodnym (sól jest w nadmiarze w stosunku do rozpuszczalnika). Elektrolity WiS zostały po raz pierwszy wprowadzone w 2015 roku i od tego czasu były szeroko badane jako realna opcja wytwarzania akumulatorów o zwiększonym bezpieczeństwie i mniejszym wpływie na środowisko.

Technika eksperymentalna zastosowana w tych badaniach opiera się na tym, co zespół stosował wcześniej, ale z nowo opracowanymi metodami analizy danych. Jak powiedział Bonaghiri: „Wzięliśmy technologię [EC-3D-AFM] do następnego poziomu, na którym rozkładamy wykresy zliczania i uzyskujemy profile gęstości ładunku za pomocą algorytmów elektrostatycznych. „

Ta nowa metoda, nazwana CP-3D-AFM, umożliwia uzyskanie przestrzennego rozkładu ładunku zarówno lokalnej powierzchni elektrody, jak i EDL. Zespół wykorzystał CP-3D-AFM do określenia przegrupowań ładunku na interfejsach ciecz jonowa/HOPG i WiS/HOPG oraz zaobserwował subnanometrowe różnice w gęstości ładunku, co ma kluczowe znaczenie dla pojemnościowego magazynowania energii i innych funkcji elektrochemicznych tych systemów.

Zhang i Bonagiri twierdzą, że ta metoda będzie szeroko stosowana w szerokiej gamie praktycznych urządzeń elektrochemicznych, w tym w bateriach, ogniwach paliwowych, elektrolizerach i superkondensatorach.