Wetenschappers in Rusland en Armenië hebben een nieuwe oppervlaktereconstructie van RuO . voorspeld ₂ dat verklaart de oorsprong van ladingsopslag in supercondensatoren. De miniaturisering van elektronische apparaten tot op nanometerschaal zal de rol van oppervlakte- en kwantumeffecten vergroten in termen van de eigenschappen en stabiliteit van het hele apparaat. Oppervlaktewetenschap is daarom cruciaal geworden voor toekomstige technologische vooruitgang.

Momenteel, RuO ₂ is het meest gebruikte materiaal voor elektronische toepassingen zoals detectie en katalyse. Het wordt veel gebruikt in supercondensatoren als kathodemateriaal. Echter, RuO ₂ heeft onderzoekers in verwarring gebracht met betrekking tot de toepassing ervan in supercondensatoren.

Gebruikelijk, supercapacitief gedrag treedt op als gevolg van het proton-elektron dubbele insertieproces. Elk geadsorbeerd of geïntercaleerd waterstofatoom (proton) zal pseudocapaciteit in het kathodemateriaal induceren. Experimentele resultaten tonen pseudocapaciteit in de RuO ₂ kathoden, maar kan de oorsprong van het effect niet verklaren, omdat dit proces op atomaire schaal niet kan worden onderzocht met behulp van beschikbare experimentele technieken. Er is veel theoretisch onderzoek gedaan naar het oppervlak van RuO ₂ met (110) kristallografische oriëntatie, die het meest stabiel is bij omgevingscondities. Nog altijd, het pseudocapaciteitseffect blijft onverklaard.

"We voorspelden de nieuwe thermodynamisch stabiele reconstructie van de RuO ₂ oppervlak met (110) kristallografische oriëntatie, namelijk RuO ₄ –(2×1). Deze reconstructie heeft één Ru-atoom met vier coördinaten en vier zuurstofatomen, waarvan er twee twee-coördinaat zijn en de andere twee één-coördinaat. Een gedetailleerd onderzoek van de stabiliteit toont aan dat een nieuw voorspelde reconstructie een lagere oppervlakte-energie heeft in vergelijking met eerder bestudeerde oppervlakken en uiteinden van het oppervlak met (110) kristallografische oriëntatie, en zou zich zelfs bij omgevingsomstandigheden moeten vormen, wat niet in tegenspraak is met experimentele gegevens, " zei Alexander Kvashnin, een onderzoeker bij het Skoltech Center for Electrochemical Energy Storage en een van de auteurs van de studie.

Om onderscheid te maken tussen structurele modellen, wetenschappers gebruikten de resultaten van experimenten die zijn uitgevoerd met behulp van scanning transmissiemicroscopie (STM). Ze simuleerden de STM-afbeeldingen van RuO ₄ –(2×1) reconstructie samen met een aantal eerder voorgestelde oppervlakken en reconstructies en vergeleek de simulaties met experimenteel beschikbare STM-beelden. Tot hun verbazing, ze vonden geen verschillen tussen de afbeeldingen, waardoor ze moeilijk te onderscheiden waren in experimenten. Hoewel even consistent met experimentele STM-afbeeldingen, voorspelde reconstructie is lager in energie en verdient daarom de voorkeur.

Een nader onderzoek van elektrochemische eigenschappen laat zien dat waterstofadsorptie ten opzichte van de voorspelde reconstructie energetisch gunstig is, met een overheersende invloed van waterstofintercalatie in het kathodeoppervlak, die zou bijdragen aan pseudocapaciteit. Deze resultaten staan ​​in schril contrast met de verkregen resultaten van andere oppervlaktereconstructies en -terminaties waarin waterstofintercalatie ongunstig is.

"Het combineren van de gegevens over de laagste oppervlakte-energie van de nieuw voorspelde RuO ₄ –(2×1) oppervlaktereconstructie van (110) oppervlakte van RuO2, de perfecte match van gesimuleerd STM-beeld met experimentele gegevens en bestudeerde elektrochemische eigenschappen, we verklaren de bijdrage van de oppervlakte-redoxreactie aan de pseudocapaciteit van RuO ₂ kathoden, wat te wijten is aan de speciale atomaire structuur van de oppervlaktereconstructie van (110) oppervlak, " zei Kvashnin. De resultaten van hun studie zijn onlangs gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .