Onderzoekers die binnen het Seperations Science-programma van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) werken, zijn erin geslaagd een zeer gecontroleerde manier te koppelen om oppervlakken te modificeren, genaamd ion zachte landing, met een door PNNL ontworpen en gebouwde elektrochemische cel om nauwkeurige controle over de chemische samenstelling van complexe interfaces te bereiken. Eenmaal bereikt, hierdoor konden ze atoom-voor-atoom veranderingen aanbrengen in elektroden om het effect op prestaties en stabiliteit te bestuderen.

de experimenten, gecombineerd met theoretische berekeningen door medewerkers in Spanje, werden gepubliceerd in een ACS Nano artikel getiteld "Controle van de activiteit en stabiliteit van elektrochemische interfaces met behulp van Atom-by-Atom Metal Substitution of Redox Species." Ze onthulden dat vervanging van slechts één tot drie wolfraamatomen door molybdeenatomen in complexe metaalatoomclusters resulteerde in een uitgesproken verbetering van hun elektronische gedrag, die bepaalt hoe efficiënt deze soorten elektronen accepteren voor scheidingstoepassingen.

In elektrochemische apparaten die worden gebruikt voor scheidingen, de interfaces zijn complex. Er gebeurt veel tegelijk als elektroactieve ionen, oplosmiddel moleculen, en ondersteunende elektrolyten werken op elkaar in, uitwisseling van elektronen en massa tijdens ladingsoverdrachtsprocessen. Om deze processen te begrijpen, het is noodzakelijk om de verschillende ladingsoverdracht en ionische interacties die optreden op elektroden te ontkoppelen. In dit onderzoek, de onderzoekers deden precies dat, en verder, oefende controle uit over het proces door elektroden op atomair niveau af te stemmen.

"De atomair nauwkeurige inzichten verkregen uit onze experimenten en theoretische berekeningen stelden ons in staat om efficiënte elektrochemische interfaces te ontwikkelen met behulp van superactieve anionen die niet zouden zijn geïdentificeerd met conventionele technieken die heterogene mengsels bemonsteren, " zei PNNL-chemicus Venkateshkumar Prabhakaran, hoofdauteur van de studie. "Deze benadering kan op grote schaal worden toegepast om elektrochemische interfaces in andere gerelateerde technologieën te bestuderen, die de toekomstige behoeften van de natie op het gebied van chemische scheidingen kunnen ondersteunen, energieopwekking, en opslag."

De onderzoekers bestuderen nu hoe ze de efficiëntie van het scheiden van verschillende ionen in oplossing kunnen moduleren met behulp van goed gedefinieerde elektroden met nauwkeurig gecontroleerde anionen en membraanlagen. De fundamentele inzichten die zijn verkregen bij het begrijpen van elektrochemische interfaces op moleculair niveau, kunnen dienen als basis voor het ontwerpen van superieure elektroden voor scheidingen, of zelfs energieopslag, op de apparaatschaal.