Of u nu in uw laptopcomputer zit of energie opslaat buiten windparken, we hebben een hoge capaciteit nodig, langdurig, en veilige batterijen. Bij batterijen, zoals in elk elektrochemisch apparaat, kritische processen vinden plaats waar de elektrolyt en het actieve materiaal elkaar ontmoeten bij de vaste elektrode. Echter, bepalen wat er op het ontmoetingspunt gebeurt, was moeilijk omdat naast actieve moleculen, interfaces bevatten vaak talrijke inactieve componenten. Onder leiding van laboratoriummedewerker Dr. Julia Laskin, wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory hebben nu een manier gevonden om technologisch belangrijke interfaces zorgvuldig te ontwerpen door actieve moleculen zacht te laten landen op een kleine elektrochemische cel in vaste toestand. Ze verpakten de elektrolyt in een vast membraan, afgezet actieve ionen bovenop, en karakteriseerde de cel met behulp van traditionele elektrochemische technieken. Met het apparaat dat ze hebben gebouwd, kunnen ze de belangrijkste reacties in realtime bestuderen in gecontroleerde gasvormige omgevingen.

"Om de prestaties te verbeteren, we moeten bestuderen wat er in batterijen of brandstofcellen gebeurt - processen op de interface in realtime begrijpen terwijl de reacties plaatsvinden, " zei Dr. Venkateshkumar Prabhakaran, eerste auteur van de studie.

Het apparaat biedt een manier om de fundamentele afbraakreacties te begrijpen, materiaal opbouw, en andere processen aan het elektrodeoppervlak tijdens bedrijf. Het kunnen verzamelen van deze dynamische informatie is essentieel voor het bouwen van betere batterijen, brandstofcellen, en andere energieapparaten. Het is ook van belang bij het verbeteren van de efficiëntie van industriële processen door middel van elektrokatalyse. "We doen fundamenteel onderzoek naar state-of-the-art technologisch relevante interfaces, ' zei Laskin.

Bij PNNL, wetenschappers ontwierpen een elektrochemisch apparaat om de elektrode-elektrolyt-interface in realtime te bestuderen. Het apparaat maakt gebruik van een vast ionisch-vloeibaar membraan, in vacuüm of andere goed gecontroleerde omgevingen, dat transporteigenschappen heeft die vergelijkbaar zijn met een vloeibaar elektrolyt.

Dankzij het vaste membraan kan het team de elektrolytinterface wijzigen met behulp van ionenzachte landingstechnieken. Met zachte landing, ze plaatsen goed gekarakteriseerde actieve moleculen op het grensvlak. Deze moleculen omvatten katalytische metaalclusters en redox-actieve "moleculaire batterij"-soorten die grote aantallen elektronen kunnen bevatten - potentiële kandidaten voor het vergroten van de batterijcapaciteit.

In een spannende nieuwe wending, wetenschappers kunnen ook moleculaire fragmenten aan de cel toevoegen. Ze creëren de fragmentionen door voorlopermoleculen in de gasfase te "breken". Deze gasfasefragmenten kunnen vervolgens worden geselecteerd en aan het membraan worden toegevoegd. Het resultaat is een goed gedefinieerde film die u normaal gesproken niet in oplossing kunt maken. "Dit geeft ons toegang tot een breed scala aan soorten die niet stabiel zijn onder normale omstandigheden en stelt ons in staat om de bijdrage van individuele bouwstenen aan de algehele activiteit van oudermoleculen te begrijpen, " zei dr. Grant Johnson, een PNNL-chemicus en lid van het team.

Wanneer de zacht gelande clusters door het extreem dunne membraan diffunderen en het elektrodeoppervlak van het nieuw ontworpen apparaat bereiken, het team heeft een gedetailleerde en nauwkeurig gedefinieerde actieve soort die ze kunnen onderzoeken met behulp van verschillende elektrochemische en spectroscopische technieken. Eenmaal op de interface, het team kan bestuderen hoe de actieve moleculen het transport van elektronen veranderen, capaciteit vergroten of uitputten, bijvoorbeeld.

De onderzoekers gebruiken het apparaat om te bestuderen hoe clusters van edele metalen op zachte gronden koolstofdioxide wijzigen om deze veelvoorkomende verontreinigende stof op te waarderen tot waardevollere chemische grondstoffen.