De adsorptie van ionen uit de elektrolyt aan een elektrode-oppervlak is een alomtegenwoordig proces, voor zowel bestaande als opkomende elektrochemische energietechnologieën. Maar wat gebeurt er als deze ionen heel kleine ruimtes binnendringen? Om deze vraag te beantwoorden, onderzoekers van NC State hebben het gedrag van een "klassiek" materiaal opnieuw onderzocht, birnessiet.

Birnessiet is een gehydrateerde, gelaagde vorm van mangaanoxide die gedurende vele cycli snel een verscheidenheid aan positieve ionen uit elektrolyten kan opslaan en vrijgeven. Dit maakt het veelbelovend voor gebruik in krachtige elektrochemische energieopslag, of in opkomende elektrochemische technologieën zoals ontzilting en terugwinning van zeldzame elementen uit water. Bovendien, het is een overvloedig materiaal, makkelijk te maken, en niet giftig.

Het mechanisme waarmee birnessiet kationen kan opnemen en afgeven is beschreven als zowel faraday (met ladingsoverdracht) als niet-faradaic (met alleen elektrostatische ionadsorptie).

Om dit debat aan te gaan, de onderzoekers gebruikten zowel experimentele als computationele benaderingen.

"In de energieopslaggemeenschap we denken normaal gesproken aan ladingsopslag als faraday of niet-faradaic, " zegt Shelby Boyd, eerste auteur van een paper over het werk en een postdoctoraal onderzoeker aan de North Carolina State University. "Bij vlakke interfaces, faradaic verwijst naar de specifieke adsorptie van een ion aan een elektrode met bijbehorende ladingsoverdracht, zoals bij een redoxreactie. Non-faradaic verwijst naar puur elektrostatische adsorptie zonder ladingsoverdracht. Mensen hebben deze mechanismen van ladingsopslag grotendeels voorgesteld als elkaars uitsluitende. Maar wat we met birnessiet hebben gevonden, is dat het structurele water tussen de lagen tussen de lagen de interacties tussen het geïntercaleerde kation en het birnessiet verzacht. Dit resulteert in een intermediair gedrag van de twee soorten adsorptie-extremen op vlakke grensvlakken."

De onderzoekers konden ook experimenteel en theoretisch bewijzen dat water tussen de lagen birnessiet effectief dient als een buffer die capacitief gedrag mogelijk maakt zonder significante structurele verandering in de birnessiet te veroorzaken.

uiteindelijk, de onderzoekers zeggen dat de bevindingen twee toekomstige richtingen voor het werk benadrukken, die beide veelbelovend zijn voor het bredere veld van de elektrochemie.

"Het veld van de elektrochemie ondergaat een renaissance, " zegt Veronica Augustyn, corresponderende auteur van het artikel en een assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek bij NC State. "De mogelijkheid om experimentele resultaten te verbinden met modellering op atomaire schaal van de elektrochemische interface stelt ons in staat dieper dan ooit tevoren te onderzoeken en vragen te stellen als:welke rol speelt het oplosmiddel? Wat kan er gebeuren als de reactie plaatsvindt onder opsluiting? Door de capacitieve mechanisme van een materiaal als birnessiet, we hebben de weg geëffend voor het begrijpen van meer complexe elektrochemische reacties."

De krant, "Effecten van tussenlaagse opsluiting en hydratatie op capacitieve ladingsopslag in Birnessite, " komt uit Natuurmaterialen .