Met behulp van een tweeledige aanpak die zal helpen om efficiëntere energieopslagsystemen te begrijpen en te ontwerpen, RIKEN-elektrochemici hebben de verdeling van elektrische ladingen op het grensvlak tussen de elektrode en het elektrolyt onderzocht.

Om efficiënte batterijen en brandstofcellen te ontwerpen, moet u weten hoe ionen en elektronen zich gedragen op het grensvlak tussen de elektrode en elektrolyt - de oplossing waarin de elektrode wordt ondergedompeld. Bij het aanleggen van een spanning, de elektrode wordt geladen en ionen met de tegenovergestelde lading beginnen zich op het oppervlak op te hopen. De ionen vormen een laag op de elektrode waarvan de concentratie afneemt met de afstand tot de elektrode. Maar de relatie tussen de structuur van de ionen en de elektrochemische eigenschappen van het elektrode-elektrolyt-interface is niet goed begrepen.

Nutsvoorzieningen, Raymond Wong van het RIKEN Surface and Interface Science Laboratory en zijn collega's hebben de energie en de structuur van de geladen interface tussen een gouden elektrode en verschillende elektrolyten onderzocht (Fig. 1).

Ze deden dit door een monolaag van redox-actieve moleculen op het elektrodeoppervlak aan te brengen. Het ene uiteinde van deze langketenige moleculen gebonden aan de elektrode, terwijl de andere - een ferroceenkop met een ijzeratoom - werd blootgesteld aan de elektrolyt. De ferroceeneenheid kan gemakkelijk worden geoxideerd en gereduceerd door een geschikte spanning toe te passen die ervoor zorgt dat deze schakelt tussen neutrale en positief geladen toestanden. Een dergelijke monolaag van ferroceen is een ideale sonde voor het onderzoeken van de structurele en energieveranderingen die voortkomen uit de compensatie van de monolaaglading door verschillende soorten anionen in de elektrolyt.

Wong en collega's combineerden cyclische voltammetrie, die routinematig wordt gebruikt in de elektrochemie, met foto-elektronenspectroscopie, die directe informatie geeft over het gedrag van de elektronen op het elektrode-monolaag-elektrolyt-interface. Ze voerden de elektrochemische metingen uit in een kamer, die vervolgens werd geëvacueerd en overgebracht naar een ultrahoogvacuümkamer, waar ze de spectroscopische metingen hebben uitgevoerd. Dankzij deze procedure kon het team snapshots maken van de elektrode-monolaag-elektrolyt-interface onder verschillende toegepaste potentialen.

"Ons doel was om een ​​beter begrip te krijgen van de elektrode-elektrolyt-interface op microscopisch en moleculair niveau, die niet gemakkelijk toegankelijk is met andere elektrochemische of in situ methoden, " legt Wong uit.

De methode is veelzijdig en kan worden toegepast op andere systemen, wijst Wong op. "Onze methode kan worden uitgebreid om de grensvlakenergie in halfgeleidende elektroden te bestuderen en kan meer inzicht geven in elektrolyteffecten en grensvlakenergie in andere oppervlaktegebonden redox-actieve systemen met relevantie in biochemische detectie, redox-geïnduceerde nanoactuators en pseudocapacitieve energieopslag."